На электрифицированных участках железных дорог постоянного тока широкое
распространение получила максимальная токовая защита. Определяющим
параметром для отключения сети при ее использовании служит значение тока
короткого замыкания, которое, как известно, зависит от напряжения в
контактной сети и сопротивления цепи. Для надежного срабатывания защиты
необходимо, чтобы все составляющие сопротивления цепи короткого
замыкания были минимальны. Это требование прежде всего относится к
сопротивлению места короткого .замыкания, так как остальные составляющие
сопротивления (контактная подвеска, рельсовая сеть и др.) незначительны.
Наиболее опасно попадание высокого напряжения на поддерживающие
конструкции опор контактной сети. Какими бы причинами они ни вызывались
(пробой изоляции, перекрытие токоприемником э. п. с.), если не приняты
специальные меры, ток при коротком замыкании через опору будет ограничен
сопротивлением «консоль — рельс», которое может составлять как единицы
ом, так и мегаомы, но в любом случае оно слишком велико для срабатывания
максимальной токовой защиты. В результате может возникнуть крайне
опасный режим неотключенного короткого замыкания, когда из-за
термического действия длительно протекающего тока отгорают детали
крепления подвески (болты, хомуты), а иногда и сами провода.
Недопустимость такого режима определяется еще и тем обстоятельством, что
попадание высокого напряжения па поддерживающие конструкции опасно для
обслуживающего персонала.
В настоящее время общепринятым решением этой задачи являются специальные
заземляющие цепи, обеспечивающие при коротком замыкании «глухое»
присоединение к рельсовой сети поддерживающих конструкций, оказавшихся
под высоким напряжением. Требования к заземляющим цепям и различные
варианты их технического исполнения подробно изложены в [6], [7],
поэтому в данной книге ограничимся рассмотрением лишь вопросов их
совершенствования и эксплуатационной надежности.
На Московской дороге эксплуатируется около 6,5 тыс. диодных заземлителей
типа ЗД-1. Ежегодный средний по дороге выход из строя составляет
1,4—1,6%, однако на отдельных дистанциях электроснабжения отказы
составляют до 4% всех эксплуатирующихся ЗД. С учетом того
обстоятельства, что ЗД установлены, в основном, в групповых заземлениях
(5,9 тыс.), общее количество опор, оказывающихся ежегодно
неизолированными от рельсов по этой причине, составляет не менее 750.
Предположительно 10% из них имеют «металлическое» касание в верхнем
поясе и получают электрокоррозионные повреждения, способные вызвать
излом.
На дороге был проведен анализ основных причин выхода из строя ЗД.
Оказалось, что в подавляющем большинстве случаев речь идет об
электропробое. С точки зрения мест установки, характерным оказалось то,
что отказы наиболее вероятны там, где наблюдаются импульсные
перенапряжения в рельсовых сетях. Так, например, была зафиксирована
высокая частота пробоев у ЗД, установленных вблизи роговых разрядников,
мест трогания и разгона поездов, т. е. там, где чаще случаются замыкания
в силовых цепях э. п. с. Значительное количество пробоев происходит па
участках с длительными подъемами в зимнее время в период снегозаносов.
Это объясняется тем обстоятельством, что возникающие перерывы в движении
заканчиваются одновременным троганием нескольких поездов, находящихся на
перегоне.
Опасность пробоя для полупроводниковых вентилей диодного заземлителя
существует лишь при положительном знаке импульса напряжения «рельс —
земля». Отрицательные потенциалы «имитируют» рабочий режим срабатывания
при неполных коротких замыканиях. В этом отношении интерес представляет
реальная картина возникающих в рельсовой сети перенапряжений. Так,
известно (например, см. [6]), что характер изменения во времени
потенциала «рельс — земля» при коротких замыканиях существенно зависит
от вида подпитки места короткого замыкания и расстояния до него.
Очевидно, эти данные можно распространить и на случаи коротких замыканий
на э. п. с.
Для случая односторонней подпитки места короткого замыкания (рис. 14, а)
характерно нарастание потенциала «рельс — земля», смена его полярности
со значительным отрицательным выбросом и относительно медленное
затухание. Когда место короткого замыкания подпитывается с двух сторон,
форма кривой (рис. 14, б) отличается наличием двух максимумов в
положительной области. Нахождение вблизи места короткого замыкания
поезда в тяговом или рекуперативном режиме влечет за собой (рис. 14, в)
возврат потенциала к положительным значениям после короткого
отрицательного всплеска. Это вызвано переходом двигателей э. п. с. в
генераторный режим.
Длительности перенапряжений в общем случае сравнимы со временем
срабатывания защиты и составляют несколько десятков миллисекунд, в ряде
случаев они, по данным [8], превышают 1,5 кВ. Эти два обстоятельства и
играют, по-видимому, решающую роль в вопросе об электрическом пробое ЗД
и ИП со стороны рельсов.
Как известно, типовой диодный заземлитель типа ЗД-1 в случае
необходимости должен пропустить положительный импульс обратно
приложенного напряжения благодаря переходу в лавинный режим. Такой режим
наступает при превышении обратным напряжением значения 920—950 В (8
класс). В лавинном режиме вентиль может рассеивать незначительную
мощность, зависящую от длительности перенапряжения, и если это условие
не соблюдено, наступает необратимый пробой.