Коммутационное перенапряжение появляется в аппаратуре при переходных процессах и коротких замыканиях [1]. На участках железных дорог переменного тока, помимо аварийных режимов работы контактной сети или срабатывания разрядников, опасные перенапряжения возникают при асимметрии протекания обратного тягового тока в рельсовых цепях. Эти перенапряжения могут длиться часами, чем и объясняется их опасность. Перенапряжения могут в сотни раз превышать рабочее напряжение, что приводит к пробою изоляции аппаратуры или даже пожару. Всё это сказывается на финансовых затратах ОАО «РЖД». В связи с необходимостью обеспечения стабильной пропускной способности, на которую могут повлиять выведенные из строя устройства СЦБ, применяют специальные средства для их защиты. Обеспечить безопасность устройств СЦБ от коммутационного перенапряжения возможно с помощью использования варисторов, разрядников, защитных блоков, тиристорных защитных устройств и других [2].
Разрядники используются для уменьшения амплитуды коммутационных и атмосферных перенапряжений в установках. Он состоит из двух электродов и дугогасительного устройства. При достижении определённого напряжения между электродами пробивается искровой промежуток и снимает перенапряжение с защищаемого устройства. Различают трубчатые, газовые, вентильные и магнитовентильные разрядники [3]. Однако их степень применения значительно снизилась после появления ограничителей перенапряжения и выравнивателей, которые, в отличие от разрядников, не имеют искровых промежутков, что упрощает конструкцию и обладают большим быстродействием. На Кошурниковской дистанции применяют разрядники типа РВНШ, РКВН, УЗП.
Ограничитель перенапряжений включает в себя полупроводниковый элемент с нелинейной величиной сопротивления. В качестве полупроводникового элемента широкое применение нашли оксидноцинковые варисторы [1]. Ограничитель предназначен для искрогашения на контактах коммутирующих приборов и для защиты полупроводниковых приборов от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Если на устройство, к которому подключён ограничитель, поступает большое напряжение, происходит падение электрического сопротивления, в результате чего напряжение переходит в заземляющую цепь.
Основным элементом оксидноцинкового выравнивателя является вентильный диск, сопротивление которого резко меняется в зависимости от приложенного напряжения. Время срабатывания исчисляется микросекундами, что в 1000 раз быстрее разрядников. В основном выравниватели используют как дополнительный каскад защиты полупроводникового прибора от поперечных перенапряжений.
Защитные блоки обеспечивают защиту от поперечного перенапряжения в электрических цепях, питающих полупроводниковые устройства СЦБ. При возникновении импульсов перенапряжения в цепи дросселя и конденсатора образуется ток соответствующей частоты, который способствует падению напряжения на сопротивлении дросселя и конденсатора. За счёт падения напряжения импульсных токов на сопротивлении дросселя происходит ограничение перенапряжений.
Тиристорные защитные устройства используют для защиты путевой аппаратуры рельсовых цепей от перенапряжений при аварийных режимах работы и асимметрии тяговых токов рельсовых цепей. При отсутствии перенапряжения тиристоры закрыты. Они мгновенно открываются при импульсах перенапряжения и снижают своё сопротивление. Происходит шунтирование защищаемых приборов и ограничение коммутационного перенапряжения до уровня оставшегося напряжения выравнивателя. Таким образом, они ограничивают длительные перенапряжения.
Несмотря на разнообразие устройств, обеспечивающих безопасность работы приборов СЦБ, и их защитные свойства, достичь бесперебойной работы аппаратуры не удается [4]. Более того, сами выравниватели и разрядники могут стать причиной возгорания оборудованz, в результате чего приборы выходят из строя [5]. Каждый год на железной дороге составляется большое количество актов расследования отказов в работе технических средств, в том числе и от коммутационных перенапряжений.
Для выявления самого ненадёжного устройства был проведен анализ отказов (рисунок 1).
Рисунок 1 – Диаграмма отказов в результате коммутационных перенапряжений
Анализ коммутационных отказов на Кошурниковской дистанции с марта по сентябрь 2022 года, количество которых составило 13, показал, что наиболее частым средством защиты, по причине которого устройства СЦБ выходили из строя, является разрядник.
Кроме того, данные отказы вызвали задержки поездов, которые суммарно составили 676 минут или 11,27 часов. В июне в результате отказа технического средства было задержано 5 грузовых поездов с суммарной задержкой в 2 ч 44 мин. Имея расходную ставку на 1 поездо-час простоя грузового поезда (2758,00 руб.), произведен расчёт потерь[6, 7], которые в июне составили 2,73∙2758=7529,34 руб. Аналогично, зная расходные ставки простоя хозяйственных и пассажирских поездов, получены потери за март, июнь и август в сумме 32298,68 руб.
Таким образом, можно сделать вывод, что ненадлежащая работа приборов защиты устройств СЦБ от коммутационных перенапряжений приводит к достаточно серьёзным материальным потерям. Возможным решением проблемы является переход на более современные модели устройств защиты, которые должны уменьшить количество коммутационных отказов.