Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
3,5
3,5°
44,5
77
70
45°
59 3,6
Рисунок 5.3 – Шинная катушка
2
1
Рисунок 5.4 – Катушка сглаживающего реактора
567,3
121
Выбор типа шинных катушек зависит не только от условий их ра-
боты, но и от технологических возможностей. Так, часто шинные катушки сходны по технологии с катушками тяговых машин и их изготовляют не в аппаратном, а в машинном цехе. При многослойных
катушках со спиральной намоткой желательно, чтобы число слоев
было четным, что позволяет все выводы делать от внешних витков.
У катушек реле или аппаратов защиты, выполняющих функции
чувствительного элемента в цепях с большими токами, для получения
необходимых МДС оказывается достаточно иметь один или дробное число витков. В этом случае можно использовать шину, форма
которой удобна для конструкции аппарата. Примером могут служить
реле перегрузки типов РТ-253, РТ-255 с седлообразными шинами –
катушками (рисунок 5.5), с числом витков w = 1/2.
29,6
max
2
2
min
50
min
108
18,6
max
122
175
36
Ø11
50 72
Рисунок 5.5 – Конструкция шины реле перегрузки
+2,5
52
5.3 Тепловые процессы в катушках. Коэффициент заполнения
Ir
pS=
2
()
−γ
При расчете тепловых процессов, определяющих параметры элек-
тротехнических устройств, часто исходят из гипотезы однородного
тела, все части которого при установившихся режимах имеют одинаковую температуру. Однако вследствие большой неоднородности
внутренней структуры проволочных катушек для них такая гипотеза не подходит [1].
Условия теплорассеяния для проволочных катушек обычно небла-
гоприятны, так как катушки располагают в стесненном пространстве,
необдуваемом воздухом. Особенно плохо рассеивается тепло с торцовых поверхностей, которые почти всегда закрыты. При расчетах
теплорассеяние учитывают только с боковой поверхности S катушки
S = π ·D
где D
– наружный диаметр катушки;
H
·H, (5.1)
H
H – высота катушки.
Удельная мощность теплорассеяния для продолжительного ре-
жима, Вт/см2 , составит
, (5.2)
где I – ток катушки;
r – сопротивление обмотки.
Для наиболее часто применяемой изоляции классов А и Е при-
нимают расчетные значения p = 0,09…0,12 Вт/см
2
при продолжительных режимах. Для изоляции класса В при тех же условиях
p = 0,13…0,15 Вт/см2.
Для выбора наружного диаметра катушки, исходя от заданной
МДС I · w и условия непревышения допустимого перегрева (таблица 5.1), используют выражение [1]
+
Z
≈…
D Iw
12
( )· ·
H
1
ZK p
1
( )· · ·
, (5.3)
З
где Z – соотношение между внешним и наружным диаметром ка-
тушки, Z = 0,3…0,5;
K
– коэффициент заполнения обмоточного пространства медью;
З
γ – удельная проводимость проводника обмотки.
123
Таблица 5.1 – Допустимые превышения температуры τ
Класс изоляции A E B F H
τ
, °С для
Д
многовитковых катушек 85 95 105 125 150
реакторов 85 115 13 0 155 180
для катушек ТЭА
Д
Коэффициент заполнения зависит от:
– формы проводников;
– изоляции катушки;
– способа намотки;
– точности изготовления катушки.
Определяют KЗ как отношение сечения меди всех витков катушки SМ к сечению обмоточного пространства S
·sw
KS=
З
, (5.4)
О
О
w – число витков.
В соответствии с данными [1], для проводов, применяемых в катушках ТЭА, коэффициент заполнения изменяется в пределах от
0,1 до 0,7.
124
6 Аппараты защиты на ЭПС
6.1 Виды аномальных режимов работы ТЭА.
Прямая и косвенная защита
Под защитой понимают ограничение свободных процессов при их
выходе в область аварийных или экстремальных режимов. Аварийные режимы возникают преимущественно в результате независимых
внезапных или постепенных отказов отдельных элементов оборудования, которые вызывают зависимые отказы других элементов. Защита от аварийных режимов не предотвращает их возникновение,
а лишь ограничивает последствия таких режимов тем сильнее, чем
выше быстродействие осуществляющих ее аппаратов. Срабатывание
их приводит к прекращению функционирования (выключению) защищаемой части оборудования или всего локомотива. Экстремальные режимы чаще всего связаны с работой оборудования в условиях
более тяжелых, чем нормальные, например, при перегрузках, перенапряжениях и т. д., вызывающих с течением времени лишь постепенные отказы элементов оборудования. При этом аппараты защиты
могут быть не столь быстродействующими, как для аварийых режимов, могут не прекращать функционирование оборудования, а лишь
облегчать режимы работы. Например, возможен переход с позиций
ослабленного возбуждения на полное, снижение интенсивности переключения пусковых или тормозных позиций и др.
Для аварийных режимов чаще применяют аппараты прямой защиты, для экстремальных – косвенной.
Аппараты прямой защиты не только контролируют состояние защищаемой цепи по какому-то заданному количественному показателю (распорядительная функция), но и по достижении его непосредственно воздействуют на защищаемую цепь. При аппаратах косвенной
защиты распорядительные и исполнительные функции разделены
между различными аппаратами.
Свойства аппаратов защиты оценивают определенными количественными показателями. В общем случае к ним относят номинальные
значения параметров (I
начены, и значения времени, при которых аппарат должен сработать
(особенно для быстродействующих аппаратов).
, UН и др.) цепей, для которых они предназ-
Н
125
Выбор необходимых видов аппаратов защиты производят на ос-
д
КЗ
,
U
U
=1 14
новании расчета или анализа опытных данных, характеризующих неустановившиеся процессы на ЭПС, для которого предназначен аппарат. Учитывают также надежность защищаемого оборудования.
Так, первоначально полупроводниковые преобразователи были
ненадежны, а устройства их защиты сложны. По мере повышения
надежности преобразователей упрощались их защиты.
Систему защиты формируют из отдельных аппаратов, составляющих
единый комплекс, в котором отдельные аппараты дополняют друг друга. Рассмотрим такое взаимодействие на примере защиты от коротких
замыканий для электровозов постоянного тока. Для идеальной защиты
необходимо установить в каждой параллельной цепи тяговых двигателей
отдельный быстродействующий автоматический выключатель. Однако
это сложно и дорого. Применяют лишь один аппарат с током уставки
I
где к
– коэффициент запаса, к3 = 0,93…0,97;
3
= кЗ · кП · IН · nП, (6.1)
У
кП – коэффициент перегрузки тяговых двигателей, кП =1,65 – 1,9;
IН – номинальный ток;
nП – наибольшее число параллельных цепей двигателей. Для ше-
сти- и 12-осных электровозов nП = 3. Для восьмиосных электровозов nП принимается равным четырем.
Таким образом, IУ = 6 · IН и выключатель срабатывает при токе короткого замыкания iКЗ ≤ IУ.
Токи короткого замыкания зависят от того, на каком двигателе
в их последовательной цепи оно произошло. Рассмотрим случай глухого короткого замыкания (КЗ) на зажимах последнего в цепи тягового двигателя восьмиосного электровоза при их последовательном
соединении. При КЗ напряжение на зажимах двигателей изменится
с исходного
но,
3000
д
8
375
U = =
В до
.
3000
U = ≈
КЗ
81
−
В. Следователь-
430
Наибольший толчок тока возможен в момент изменения напряжения, т. е. в первый момент КЗ. Так как скорость и магнитный по-
I
КЗ
,
ток не успевают измениться, то
Как видно, ток КЗ много меньше тока уставки, а значит, аппарат за-
I
≈1 14
.
щиты не сработает. Однако сработает дифференциальное токовое реле,
если КЗ сопровождается (что наиболее вероятно) пробоем на корпус
126
в отказавшем двигателе. Быстродействующий выключатель по сигна-
КЗ
П КЗ КЗ КЗ
di
U Ri L
dt
= +
лу этого реле сработает как аппарат не прямой защиты, а косвенной.
В систему защиты ЭПС помимо быстродействующих выключателей также входят:
– главные выключатели силовых цепей;
– автоматические выключатели вспомогательных цепей и цепей
управления;
– разрядники;
– реле различного назначения;
– плавкие предохранители;
– аппараты защиты преобразователей.
6.2 Быстродействующие выключатели
Как говорилось выше, быстродействующие выключатели (БВ) используются как основные аппараты прямой защиты от КЗ в силовых
цепях и одновременно в качестве исполнительных аппаратов для защиты других видов.
Основная область применения БВ – ЭПС постоянного тока. На
ЭПС переменного тока БВ могут применяться в цепях постоянного
тока (цепи нагрузки выпрямительных установок).
Параметры БВ устанавливают исходя из ожидаемого режима КЗ.
Уравнение напряжений при КЗ имеет вид
где U
ЭПС к подстанции, а на ЭПС – при непосредственной близости места КЗ к поднятому токоприемнику [1]. Защитная характеристика БВ
(рисунок 6.1) показывает изменение тока КЗ в процессе выключения
БВ и определяет зависимость этого процесса от свойств аппарата.
, (6.2)
– напряжения на шинах тяговой подстанции;
П
iКЗ – ток КЗ в момент времени t;
RКЗ, LКЗ – соответственно активное сопротивление и индуктив-
ность цепи КЗ.
Наибольший ток КЗ возникает при непосредственной близости
Ток КЗ меняется по экспоненциальному закону
t
−
Т
1
, (6.3)
127
() · –
it I e
=
КЗ КЗ
где IКЗ – ток КЗ. IКЗ = UКЗ/RКЗ;
КЗ КЗ
КЗ У КЗ Р
ln – ln
II
tT T
II II
=⋅⋅
−−
0
Т – постоянная времени. Т = LКЗ/RКЗ.
Эти величины при КЗ обычно являются случайными и в усредненных значениях достигают IКЗ = 10000…12000 А, diКЗ /dt = 105…106 А/с
[1]. При этом необходим аппарат высокого быстродействия, иначе
придется отключать токи, равные IКЗ.
Если КЗ произошло при рабочем токе IР (см. рисунок 6.1), то
время достижения тока уставки IУ определяется с учетом уравнения
(6.2) как [1]
I
к.з
I
в
I
уст
I
р
T
в max
I
t
tкt
0
t'
с.в
2
t
выкл.
t"
2
. (6.4)
к max
I
t
Рисунок 6.1 – Защитная характеристика БВ:
t0 – время достижения током КЗ величины уставки выключателя;
t
– собственное время выключателя (от момента достижения тока
с.в
уставки до момента начала расхождения главных контактов);
tк – время существования расплавленного межконтаткного мостика;
– время горения дуги при нарастании в ней тока; t"2 – время горения
t'
2
дуги при убывании в ней тока; t
– полное время выключения
выкл.
128
Собственное время срабатывания БВ t
II
−−
КЗ
П Д Д КЗ КЗ КЗ
() ·
di
U Ul Ri L
dt
=++
ДД
()dU l
dt
КЗ
di
dt
ДД
КЗ
КЗ
()dU l
di
dt R dt
>
()
от момента достижения
с.в
тока IУ до момента размыкания контактов при токе Iв с учетом времени существования межконтактного мостика из расплавленного
металла tк определяется как
t tT T
+=⋅ ⋅
с.в к
ln – ln
КЗ КЗ
II II
КЗ В КЗ У
. (6.5)
Собственное время современных быстродействующих выключателей составляет 0,0003…0,001 с.
После потери межконтактной зоной проводникового свойства
разрыв контактов становится дуговым и согласно выражению (4.17)
дальнейшее изменение тока КЗ описывается нелинейным дифференциальным уравнением
где U
) – падение напряжения в дуге, зависящее от ее длины.
Д(lД
, (6.6)
Характер процесса при разомкнутых контактах, т. е. при t > tк,
зависит от режима горения дуги, точнее от соотношения между
и
. Так, при изменении тока iКЗ от Iв до IКЗ (время t'2
на рисунке 6.1) скорость нарастания тока КЗ превышает интенсив-
ность дугогашения
должает нарастать
di
. Чем выше интенсивность нарастания па-
> 0
dt
и ток в защищаемой БВ цепи про-
дения напряжения в дуге и чем выше интенсивность дугогашения
в этот период, тем меньше максимальный ток выключения I
в max
, ко-
той соответствует условиям
Дальнейшее снижение тока в отключаемой цепи до нуля за время
зависит от изменения падения напряжения в дуге. Так как на этом
t"
2
dU l
di
КЗ
dt R dt
ДД
=
КЗ
di
= 0
dt
;
.
129
di
участке (см. рисунок 6.1)
dt
< 0
, то ЭДС е
(см. выражения (4.28),
с
(4.29)) по знаку совпадает с приложенным напряжением, что приводит к возникновению коммутационных перенапряжений, тем больших, чем сильнее убывает ток в дуге.
Согласно графику защитной характеристики БВ (см. рисунок 6.1)
полное время выключения составит
t
выкл.
= t0 + t
Для современных быстродействующих выключателей t
+ tк + t'2 + t"2 . (6.7)
с.в
= 0,01…
выкл.
0,02 с.
Защитные характеристики выключателя определяются [3]:
– отключающей способностью – наибольшим значением тока
I
, при котором выключатель может надежно отключить защища-
k max
емую цепь в наиболее тяжелых условиях (при наибольшем напряжении сети и наибольшей ее индуктивности);
– коэффициентом ограничения к = I
– временем выключения t
выкл.
;
k max
/I
(см. рисунок 6.1);
в max
– требованием отключать повторные КЗ.
Отключающая способность возрастает с увеличением коэффициента ограничения, который в свою очередь растет при снижении
собственного времени выключателя.
Способы повышения характеристик БВ:
Повышение отключающей способности и коэффициента ограничения к достигают параллельным включением размагничивающему
витку индуктивного шунта, который снижает время t0 тем сильнее,
чем быстрее нарастает ток КЗ.
Собственное время t
снижают за счет уменьшения массы подвиж-
с.в
ных частей, сопротивления их движению, ограничивая (либо усиливая) вихревые токи в отдельных частях магнитопровода, снижая взаимные индуктивности обмоток за счет разветвления магнитной системы.
Систему магнитного дутья проектируют таким образом, чтобы время t'2, отводимое на нарастание тока в дуге, было как можно меньше
(интенсивное гашение дуги), а время t"2, когда ток снижается, с целью ограничения коммутационных перенапряжений, было больше.
Существует большое число типов БВ, однако по принципу действия можно все выключатели разделить на две группы:
– с механизмом свободного расцепления – срабатывающие при
размагничивании удерживающего электромагнита;
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]