Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
Газовое дугогашение основано на использовании воздействия на
2
o
kLI
pv=
дугу отключения потоков газов. При этом наблюдается механическое воздействие: удлинение ствола дуги и последующий его разрыв,
а также интенсивное охлаждение ствола дуги холодным газовым потоком или газами повышенной теплоемкости.
На ЭПС нашли применение две разновидности газового дугога-
шения:
– расширительное, при котором газовый поток создает сама дуга
отключения;
– воздушное, когда действующим реагентом служит воздушная
струя повышенного давления.
Принцип расширительного дугогашения заключается в разрушении
ствола дуги за счет создания импульсного повышения давления в зоне
горения дуги. При этом рассеиваются ионизированные частицы ствола
и разрушается его целостность как проводника тока. Ускорению данного процесса способствуют выделяющиеся в зоне дуги деионизирующие,
например, водородосодержащие газы с высокой теплоемкостью. Конструктивное выполнение указанный принцип нашел в плавких предохранителях преимущественно трубчатого типа с внутренними стенками из газогенерирующего материала: фибра, оргстекло. Первоначально
их выполняли в виде открытых трубок и принимали для максимальной
токовой защиты вспомогательных высоковольтных электрических цепей первых отечественных электровозов и моторных вагонов. Однако
в реальных эксплуатационных условиях вырывающиеся из сработавшего предохранителя пары и газы обусловливали очень высокую степень ионизации окружающего пространства и возникновение звукового эффекта, в связи с чем такие предохранители получили название
«стреляющих». Далее перешли на герметически закрытые трубки с односторонними и двухсторонними расширителями для размещения генерируемых в результате термического воздействия электрической дуги газов.
Избыточное давление, создающееся в корпусе плавкого предохра-
нителя, прямо пропорционально выделяемой в дуге энергии и обратно пропорционально внутреннему объему трубки v, Па:
где L – индуктивность защищаемой цепи;
I
– ток срабатывания предохранителя;
o
k – поправочный коэффициент, зависящий от материала плав-
кой вставки и трубчатой оболочки.
, (4.46)
111
Импульсное повышение давления р может достигать 10 МПа, под
его воздействием скопившиеся газы приобретают скорость порядка
100 м/с, а конечная длина дуги при этом в 3…5 раз меньше, чем при
разрыве такого же тока в камерах магнитного дутья. Трубчатый корпус
предохранителя выполняют толстостенным и многослойным, чтобы
обеспечить устойчивость к высоким давлениям при его срабатывании,
хотя полностью вероятность разрушения корпуса не исчезает. Основной компонент образующихся при термическом воздействии на стенки предохранителя газов – водород, обладающий теплопроводностью
в 17 раз более высокой, чем у воздуха, что способствует интенсивному
отводу тепла и усилению эффекта дугогашения.
Вместе с тем расширительному, или автогазовому, способу гаше-
ния дуги отключения свойственны недостатки. Плавкая вставка при
протекании рабочих токов нагревается, сравнительно быстро окисляется кислородом воздуха, что способствует непроизвольному изменению ее активного электрического сопротивления и тока уставки предохранителя. Кроме того, при малых значениях разрываемого
тока гашение дуги чрезмерно затягивается во времени. Эксплуатационные свойства предохранителя снижаются необходимостью его
смены (перезарядки) после срабатывания. Эти свойства отрицательно влияют на перспективность практического применения на ЭПС.
В электрических цепях ЭПС переменного тока нашло примене-
ние воздушное дугогашение. Принцип действия его схож с принципом расширительного дугогашения, но источником используемой
энергии служит компрессорная установка локомотива, обеспечивающая необходимое давление сжатого воздуха в пределах 1,0…2,5 МПа.
В условиях повышенного напряжения питающей сети и разрывной
мощности до 250 МВ·А применение магнитного дугогашения в главном выключателе становится неприемлемым. С другой стороны, применение воздушного дутья на ЭПС переменного тока обусловлено
особенностями его работы – на переменном токе каждый полупериод происходит естественный переход тока дуги через нуль, тогда
задача гашения дуги состоит в том, чтобы не допустить повторного
ее зажигания, так как дуговой промежуток ионизирован и сохраняет высокую проводимость [6]. Для предотвращения повторного зажигания дуги применяется деионизация дугового промежутка, реализуемая воздушным дутьем.
Конструкция воздушного выключателя ВОВ-25 служит приме-
ром применения принудительного воздушного дугогашения в условиях ЭПС.
112
Если принять давление сжатого воздуха соответствующим стан-
д
,
вв
см
Н
F pd
−
= = ⋅⋅⋅ =
33
500 10 0 5 10 25
дартному значению рв = 500 кПа, а диаметр выхлопного отверстия
(в него выдувается дуга) dв = 0,5 см, то удельная сила на 1 см длины
дуги составит
, (4.47)
тогда как для создания равновеликого усилия посредством магнитного поля потребуется индукция В ≥ 2,5 Тл, что в 2,5 раза превосходит рекомендуемый уровень магнитной индукции в реальных системах магнитного дутья с соответствующим увеличением габаритов и
энергопотребления дугогасительных устройств. Что касается источника сжатого воздуха, то каждая единица ЭПС оснащена компрессорной установкой в целях осуществления пневматического торможения и снабжения других потребителей.
На рисунке 4.19 представлено схематическое изображение кон-
тактной системы ВОВ-25, эксплуатируемого на отечественном ЭПС
переменного тока.
В дугогасительной камере (находится внутри фарфорового изоля-
тора, см. рисунок 4.12) размещают подвижный ПК и неподвижный
НК контакты. Контактное нажатие реализуется посредством пружины Пр. Воздухопровод проходит через опорный ОИ и горизонтальный ГИ полые изоляторы. Усилие сжатого воздуха преодолевает силу
нажатия контактов и перемещает ПК влево, в сторону размыкания
контактов. После выхлопа сжатого воздуха пружина Пр восстанавливает замкнутое состояние контакт-деталей. По своей конструкции
контакт-детали ПК и НК в совокупности выполняют роль воздушного сопла, диаметр которого определится соотношением
I
ном
dj≥
к
, (4.48)
π⋅
л
где I
– величина номинального тока, проходящего через контакты;
ном
jл – линейная плотность тока.
Дугогашение обеспечивается при скорости воздушного потока
vв = 25…40 м/с.
Система воздушного дутья обеспечивает выполнение двух основ-
ных функций ВОВ-25: выдувание электрической дуги отключения и
рабочее перемещение контакт-деталей в процессе размыкания цепи.
Разъединитель Р реализует видимый разрыв цепи сразу же после га-
113
шения дуги отключения, причем срабатывание Р происходит с запа-
Р
НК
ПК
ГИ
ОИ
Пр
здыванием по отношению к силовым контактам. Применение воздушного дугогашения сопряжено с определенными трудностями:
электрическая изоляция воздуховодов, очистка воздуха от примесей, от паров масла и воды, установка запасных резервуаров сжатого воздуха в целях гарантированного отключения главного выключателя при перебоях в снабжении воздухом, синхронизация подачи
воздуха и движения контактов выключателя. Для ВОВ-25 характерно продольное направление воздушного дутья.
Рисунок 4.19 – Контактная система воздушного выключателя ВОВ-25
Иногда принудительное дутье используется в качестве вспомога-
тельного средства деионизации дугогасительной камеры, например,
для контакторных элементов с дугогашением переключателя ступеней тягового трансформатора типа ЭКГ-8 (рисунок 4.20).
Сервомотор переключателя (его якорь Я и обмотка независимого
возбуждения ОВ) получает питание от низковольтной цепи при замыкании контактора К. Одновременно возбуждается катушка вентиля В,
114
открывающего доступ сжатого воздуха в дугогасительную камеру со-
В
ответствующего контакторного элемента. После перехода на очередную фиксированную позицию контактор К размыкается, теряет питание сервомотор и катушка вентиля В, воздушное дутье прекращается
до перехода на следующую позицию ЭКГ. Такого кратковременного
возбуждения вентиля достаточно для достижения деионизации межконтактного промежутка того или иного контакторного элемента ЭКГ.
К
Я
ОВ
Рисунок 4.20 – Схема управления подачей воздуха в дугогасительную
камеру переключателя ЭКГ-8
Заслуживает внимания разработка и применение вакуумных ду-
гогасительных устройств, функционирующих в среде с давлением около 10-4 Па (10-6 мм рт. ст.), т. е. в условиях высокого вакуума
в герметизированной дугогасительной камере. Электрический пробой межконтактного промежутка значительно затрудняется из-за
практического отсутствия носителей зарядов. Пробивное напряжение промежутка длиной 1 мм в вакууме достигает 100 кВ, что в 4…5
раз выше, чем при атмосферном давлении.
Для вакуумных выключателей характерно высокое быстродейст-
вие, быстрое восстановление диэлектрической прочности после погасания дуги (за 0,1 мкс [6]), высокая взрыво- и пожаробезопасность,
115
бесшумность срабатывания, компактность конструкции, высокая износостойкость контактной системы.
Наличие высокого вакуума обуславливает интенсивную деиони-
зацию дугового промежутка, так как скорость диффузии заряженных частиц очень высока из-за большой разницы плотности частиц
в дуге отключения и окружающем ее вакууме.
Стадии гашения дуги в вакууме [6]:
– при расхождении контактов между ними образуется жидкоме-
таллический мостик;
– мостик нагревается, испаряется, и в парах металла горит дуга,
при этом ионизированные пары металла удерживаются в столбе дуги
ее магнитным полем;
– при первом прохождении тока через нуль дуга гаснет, про-
исходит быстрая диффузия зарядов из столба дуги в окружающий
вакуум и электрическая прочность дугового промежутка восстанавливается.
Срок службы вакуумных выключателей без ревизии достигает
25 лет.
Предпочтительнее применение вакуумных выключателей в элек-
трических цепях переменного тока, где может быть обеспечено гашение дуги отключения при первом прохождении тока через нулевое значение.
Недостатком вакуумных выключателей является сложность тех-
нологии производства и высокая их стоимость. Кроме того, высокая
интенсивность дугогашения может вызвать срезы тока перед его переходом через ноль и возникновение значительных перенапряжений
при отключении индуктивной нагрузки.
Применение вакуумного дугогашения на ЭПС широко распро-
странено на зарубежных железных дорогах, на отечественном электроподвижном составе вакуумные выключатели применяются ограниченно, это пассажирские электровозы ЭП1М, ЭП1П (на них
устанавливаются отечественные выключатели ВБО-25), электропоезда двойного питания ЭВС2 и ЭС1 (на них устанавливаются зарубежные выключатели марки MACS фирмы Secheron), пассажирские электровозы ЭП20 (выключатель 22CB-NG-E фирмы Alstom),
опытный образец грузового электровоза 2ЭС7 (выключатель марки
«Шальтбау»).
Схематичное изображение конструкции дугогасительной ваку-
умной камеры производства фирмы «Сименс» представлено на рисунке 4.21.
116
С
И
ПК
НК
И
Рисунок 4.21 – Вакуумная дугогасительная камера
Корпус камеры выполняется из газонепроницаемых электроизо-
ляционных материалов. Подвижный ПК и неподвижный НК контакты аппарата изготавливаются из медно-висмутовых, медно-хромовых, медно-бериллиевых композиций методами порошковой
металлургии. Герметизация ПК реализуется посредством сильфона С.
Корпус оснащен керамическими изоляторами И. Величина зазоров
контактов зависит от рабочего напряжения сети и составляет 10…60
мм при Uс = 12…84 кВ. Контактное нажатие при расчетных отключаемых токах 40…100 кА достигает (1…4)·103 Н.
117
5 Катушки тяговых электроаппаратов
5.1 Проволочные катушки
В исполнительных системах катушки используют для создания
МДС в их приводах и дугогасительных устройствах, в распорядительных системах – в качестве чувствительных элементов, воспринимающих различную информацию о токах, напряжениях и других величинах. Катушки – основная часть реакторов различного назначения.
По конструкции катушки обычно подразделяют на проволочные,
изготовляемые из изолированного провода обычно круглого сечения,
и шинные, изготовляемые из шинных проводников, как изолированных заранее, так и изолируемых в процессе намотки. Шинные катушки, например дугогасительные, часто выполняют без витковой изоляции, при этом межвитковой изоляцией служит воздух.
Проволочные катушки [1] получили наибольшее распростране-
ние, их обычно изготовляют из круглого обмоточного провода диаметром до 3…4 мм. Конструкция таких катушек зависит преимущественно от напряжения, на которое они рассчитаны. Низковольтные
катушки (рисунок 5.1) обычно включают в цепи управления напряжением 50…110 В. Испытательное напряжение для них 1,5 кВ.
Намотка катушки рядовая, через каждый слой обмотки проло-
жена телефонная бумага. Концы обмотки скручивают втрое, изолируют электротехническим чулком и припаивают к выводам. Для
низковольтных катушек такая изоляция внутреннего вывода вполне
достаточна. Под выводами укладывают дополнительные изолирующие прокладки, которые закрепляют на катушке однослойным бандажом из кордной нити. Снаружи катушку изолируют стеклолентой,
внутрь катушки плотно устанавливают стальную втулку, предотвращающую механические повреждения. Такие бескаркасные катушки
наиболее просты в изготовлении, но из-за недостаточной изоляции
внутреннего вывода мало пригодны для высоких напряжений. Проволочная катушка (рисунок 5.2) применена, например, в реле боксования; она рассчитана на рабочее напряжение 110…220 В, но может
выдерживать напряжение до 1500 В. Катушка разделена изоляционной шайбой по высоте на две равные части; обмотка на обеих частях
I и II выполнена раздельно, как это представлено на рисунке 5.2. Это
118
рядовая обмотка, в ней телефонная бумага проложена через каждые
два слоя. Внутренние концы обеих обмоток соединяют в нижнем
слое (возможна даже обмотка без соединения пайкой или сваркой),
оба вывода отходят от внешних витков.
А-А
5
4
3
73
77±4
2
38±3
1
Ø 26
Ø 29
Ø 53
11
10
9
8
А
12
130±5°
65±3°
6
7
max
Ø 62
А
Рисунок 5.1 – Низковольтная проволочная катушка реле:
1 – лента ЛЭС 0,2 мм; 2 – нить кордная; 3 – провод ПЭТВ Ø 0,47 мм;
4, 6 – прокладки; 5 – стеклоткань; 7 – бумага телефонная; 8 – скоба;
9 – шайба пружинная; 10 – винт; 11 – вывод; 12– втулка стальная
119
2
I II
Рисунок 5.2 – Схема катушки реле боксования
A
Б
5.2 Шинные катушки
Шинные катушки тяговых аппаратов обычно выполняют бескарка-
сными с намоткой на шаблонах. Их подразделяют преимущественно по
принципу намотки. Наиболее распространены шинные катушки с намоткой из голой шины на узкое ребро. К ним относится большинство
дугогасительных катушек коммутационных аппаратов. Так как падение
напряжения в этих катушках невелико, их выполняют или без изоляции витков, или с однослойной изоляцией из стеклоленты (рисунок 5.3).
При намотке на узкое ребро внутренняя часть витков утолщается,
а наружная становится тоньше, что заставляет увеличивать шаг витков.
Для устранения этого и уменьшения зазоров между витками применяют шины трапецеидального сечения так, что после намотки сечение витков становится примерно прямоугольным. Подобные катушки часто используют и в токовых реле, где ток зависит только от состояния цепи.
В реакторах силовых цепей различного назначения применя-
ют однослойные или многослойные катушки с радиальной (спиральной) намоткой, иногда собираемые в комплекты. Рассмотрим
одну из двухслойных катушек (рисунок 5.4) сглаживающего реактора электропоезда. Для снижения пульсационных потерь каждый виток составляют из трех параллельных проводников, которые транспонированы с внутренней и наружной сторон обмотки. Проводники
обмотки имеют площадь сечения 3x10 мм, изоляцию ПСДК (стекловолокнистая), усиленную дополнительной стеклолентой в местах переходов. Изоляция между катушками выполнена дистанционными
бобышками 1 из пластмассы, хвостовики которых фиксированы меж-
ду витками катушки и прокладками 2 из стеклотекстолита.
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]