Захист обладнання від короткого замикання і перевантажень

В процесі експлуатації будь-якої електричної установки в ній можуть виникнути короткі замикання, неприпустимі перевантаження або може різко знизитися напруга. Наслідками цих режимів можуть бути серйозні пошкодження обладнання електровозів; щоб запобігти їх, застосовують різні захисту.
З двома апаратами захисту від коротких замикань і перевантажень ми вже познайомилися - це швидкодіючий вимикач на електровозах постійного струму і головний вимикач на електровозах змінного струму.
Швидкодіючий і головний вимикачі не можуть захищати силовий ланцюг у всіх ненормальних режимах. Тому для контролю за діями електротехнічних пристроїв, роботою сигналізації про порушення нормального режиму їх роботи, автоматичним відключенням ланцюгів або всієї установки застосовують спеціальні захисту. Основним апаратом у них є реле.
За принципом дії реле можуть бути електромагнітними, тепловими, електродинамічними і ін. Завдяки простоті пристрою, можливості застосування як при постійному, так і при змінному струмі найбільшого поширення в електричних системах, в тому числі і на електровозах, отримали електромагнітні реле.

Мал. 96 Схема включення електромагнітного реле

Принцип дії такого реле, що захищає, наприклад, електричний двигун М (рис. 96) від перевантаження, полягає в наступному. У разі зростання струму в двигуні понад максимальну допустимого якір реле, по котушці якого проходить струм захищається ланцюга, притягається до сердечника, долаючи зусилля пружини. При цьому контакти а й б, замикаючись, включають сигнальну лампу; спалахуючи, вона сигналізує машиністу про перевантаження тягових двигунів. Контакти в і г викликають відключення головного або швидкодіючого вимикача, розриваючи ланцюга утримують котушок.
Струм, при якому спрацьовує реле, називають струмом уставки. Його регулюють, змінюючи натяг пружини. Електромагнітне реле при відповідній уставці може бути використано як реле максимальної напруги або як реле зниженого струму або напруги. У першому випадку при підвищенні напруги понад допустиму якір притягається і контакти реле, припустимо, замикаються, у другому - якір відпадає і контакти, навпаки, розмикаються.
На електровозах ВЛ11, ВЛ10, ВЛ8 контакти реле перевантаження не введено в ланцюг утримує котушки швидкодіючого вимикача. При замиканні вони включають сигнальну лампу, загоряння якої свідчить про перевантаження будь-якої ланцюга тягових двигунів. Якщо перевантаження сталася в режимі ослабленого збудження, то під дією реле вимикаються контактори ослаблення збудження. Число реле перевантаження відповідає числу ланцюгів паралельно включених двигунів. Якщо коротке замикання на електровозах постійного струму відбудеться в ланцюзі за тяговими двигунами, з'єднаними послідовно, то швидкодіючий вимикач може не спрацювати, так як е. д. з. справних двигунів, включених на початку ланцюга, зросте внаслідок збільшення струму. Струм короткого замикання буде невеликий. З огляду на це, на електровозах ВЛ11, ВЛ10, ВЛ8, ВЛ23 застосовують чутливу диференціальну захист. виконану на спеціальному реле.
Розглянемо принцип дії цього реле. Через вікно муздрамтеатру диференціального реле РДФ проходять кабелі початку і кінця ділянки, що захищається силового ланцюга двигунів, ток яких спрямований зустрічно (рис. 97).

Мал. 97. Схема диференціального захисту електровозів постійного струму

На одному кінці муздрамтеатру встановлена ​​включає котушка, що харчується від джерела електроенергії напругою 50 В. Під дією її магнітного потоку притягується якір, в результаті чого замикаються контакти, включені в ланцюг утримує котушки швидкодіючого вимикача. При нормальному режимі магнітні потоки, що виникають навколо кабелів введення і виведення, взаємно знищуються. На рис. 97 умовно перетин кабелів, що проходять через вікно муздрамтеатру, показано колами; на решті ділянок ланцюга кабелі зображені у вигляді сполучних ліній електричного зв'язку. Напрямок струму в кабелях з площини креслення до нас, як прийнято в електротехніці, показано точкою, а від нас в площину креслення - хрестиком.
У разі короткого замикання на землю, наприклад в точці К, струм, що проходить по кабелю введення, а отже, і створюваний ним магнітний потік різко зростуть. У кабелі виведення, навпаки, струм і магнітний потік зменшаться до нуля. Магнітний потік кабелю введення спрямований зустрічно по відношенню до потоку включає котушки.
Внаслідок цього якір реле під дією пружини відірветься від муздрамтеатру і розірве ланцюг утримує котушки БВ.
Струм короткого замикання переривається швидкодіючим вимикачем не відразу і після спрацювання диференційного реле деякий час продовжує збільшуватися. Тому магнітний потік, створюваний струмом кабелю введення, може знову притягнути якір реле. Щоб не допустити цього, в середній частині муздрамтеатру реле встановлений магнітний шунт. Повітряні зазори цього шунта менше, ніж зазор між відключеними якорем і торцем магнітопровода. Тому після відключення реле магнітний потік, створюваний струмом кабелю введення, буде замикатися через магнітний шунт.
Диференціальне реле не може захистити тягові двигуни від перевантаження, так як нерівності, або, як кажуть, небалансу струмів, в кабелях при цьому не буде. Небаланс струмів можливий тільки при короткому замиканні на землю.
На електровозах змінного струму диференційний захист тягових двигунів не потрібна, так як вони з'єднані завжди паралельно і в їх ланцюг включено реле перевантаження. Вона використовується для захисту від коротких замикань випрямних установок. В цьому випадку котушку блоку диференціальних реле (БРД) разом з дроселем включають між двома точками кола вторинних обмоток тягового трансформатора, які є у рівновазі потенціали. Не зупиняючись детально на дії захисту, відзначимо, що вона реагує на швидкість наростання струму короткого замикання в випрямної установці. При швидкому наростанні струму дросель в ланцюзі, де він встановлений, затримає наростання струму. Тому основна частина струму буде проходити по ланцюгу котушок реле. Отже, магнітний потік що утримує котушки буде значно відрізнятися від магнітного потоку, викликаного струмом короткого замикання. Реле спрацює і його контакти розірвуть ланцюг утримує котушки головного вимикача.
На електровозах змінного струму необхідно захищати силові ланцюга від замикань на землю, точніше, на корпус (кузов) електровоза. Це пояснюється тим, що вторинна обмотка трансформатора, випрямлячі і тягові двигуни не з'єднані з землею, як на електровозі постійного струму, де замикання на землю викликає спрацьовування швидкодіючого вимикача або диференційного захисту. Порушення ізоляції в одній точці силового ланцюга не призведе до пошкодження, але замикання в двох точках вже створює аварійний режим. Тому потрібно контролювати стан ізоляції силового ланцюга.
Це здійснюють за допомогою реле заземлення РЗ - так званої земляний захисту. Обмотка реле РЗ (рис. 98) з'єднана з корпусом локомотива і включена в ланцюг випрямленої напруги селенового випрямляча СВ.

Мал. 98. Схема захисту силового ланцюга від замикань на землю

Випрямляч харчується від вторинної обмотки напругою 380 В тягового трансформатора. Щоб можна було використовувати один і той же реле для двох груп тягових двигунів, його підключають через два однакових резистора R до точок силового ланцюга, що має рівні потенціали. У разі короткого замикання, припустимо, в точці а утворюється ланцюг випрямленого струму, реле спрацьовує і відключає головний вимикач.
Ланцюги допоміжних машин захищають за допомогою реле перевантаження, які викликають відключення головного або швидкодіючого вимикача, а також плавкими запобіжниками і диференціальним захистом. Асинхронні двигуни допоміжних машин електровозів змінного струму мають тепловий захист РТ від перевантаження. В тепловому реле (рис. 99) використані біметалічні пластини, на яких встановлені розмикаючих блокконтакти.

Ріс.99. Схема теплового захисту

Метали, з яких виготовлені пластини, мають різні коефіцієнти лінійного розширення. У разі тривалого перевантаження або короткого замикання елементи нагріваються і згинаються. Після того як прогин пластин досягне певного значення, блокконтакти розірвуть ланцюг включає котушки і контактор відключиться. Коли встановиться нормальна температура, елементи займуть вихідне положення. Реле теплового захисту включають в кожні два дроти, що підводяться до двигуна.
Особливості порушень режимів електричного гальмування залежать від системи гальмування - реостатного або рекуперативного, схеми з'єднання і системи збудження двигунів.
У режимі реостатного гальмування при послідовному збудженні двигунів перевантаження може виникнути, як і в тяговому режимі, в разі надмірно швидкого вимикання ступенів реостата. Щоб запобігти такій перевантаження, зазвичай використовують ті ж реле, що і в тяговому режимі.
При захисті від струмів короткого замикання в режимі реостатного гальмування, як і в режимі тяги, можуть бути використані диференціальні реле і реле заземлення.
Захист від коротких замикань в режимі рекуперативного гальмування на електровозах ВЛ8, ВЛ10 і ВЛ11 здійснюється швидкодіючими електромагнітними контакторами КБ, які мають дугогасительниє камери. При їх виключенні змінюється напрямок струму в обмотках збудження тягових двигунів і відбувається інтенсивне гасіння магнітного потоку. Спосіб включення швидкодіючих контакторів у схемі циклічної стабілізації при збудника з протівовозбужденіем, створюваним обмотками ОВГ в ланцюзі якорів тягових двигунів, пояснений на рис. 100.

Мал. 100. Схема захисту тягових електродвигунів
від струмів короткого замикання в рекуперативному режимі

Вимикаючі котушки швидкодіючих контакторів КБ1 і КБ2 через обмежують резистори Ro включені паралельно котушок індуктивних шунтів ІШ. Збільшення струму короткого замикання в ланцюзі тягових двигунів викликає різке підвищення напруги на індуктивних шунтах. За відключає котушці проходить струм, що перевищує струм уставки контактора, в результаті чого його силові контакти розмикаються. Контактори НЕ розмикають ланцюг повністю, а вводять в неї резистори R3, опір яких вибирають таким, при якому не виникають небезпечні перенапруження. Після розмикання контактів контакторів КБ велика частина струму тягових двигунів проходить через їх обмотки збудження зустрічно по відношенню до струму збудження, викликаючи швидке розмагнічування двигунів.
Для захисту від короткого замикання на електровозах змінного струму з рекуперативним гальмуванням встановлюють швидкодіючі вимикачі в ланцюзі випрямленого струму. На електровозах ВЛ80р в ланцюг кожного двигуна введені індивідуальні швидкодіючі вимикачі.