Условия работы

К особенностям условий работы тяговых электроаппаратов относятся ограничения по габаритным размерам и массе, повышен­ный уровень действующих на них динамических возмущений (вибрации тряски и т. д.),повышенная загрязняемость, нестабильность напряжения тяговой сети и цепей управления, широкий диапазон температур окружающей среды, нестабильность давления сжато­го воздуха и другие факторы.

Габаритные ограничения. Тяговые аппараты размещены на э. п. с. в ограниченном пространстве. По условиям электробезопасности большую часть тяговых электроаппаратов силовых цепей в кузове электровоза размещают в высоковольтных камерах (В В К), где цепи находятся под высоким напряжением.

Наиболее распространено двухрядное расположение аппара­тов в ВВК (рис. 1.1, заштрихованные области). При этом приняты следующие ограничения по внутренней ширине кузова: — ширина внешних проходов в кузове; мм — ширина прохода в ВВК; — наибольшая ширина пространства для расположения аппаратов:

Пространство в пределах нельзя полностью использовать для коммутационных аппаратов с дугогашением. Ионизированная зона выхлопа дугогасительных устройств коммутационных аппа­ратов допускается не менее 100 мм и может увеличиваться по согла­сованию с заказчиком. Чтобы избежать переброса дуги на зазем­ленные конструкции установочных каркасов и соседние аппараты, между ними предусматривают дополнительный зазор 150—250 мм. Дополнительная площадь шириной 100—200 мм необходима для снятия дугогасительных камер при их техническом обслуживании.

Рис. 1.1. Поперечные габа­ритные ограничения в кузо­ве электровоза

Для аппаратов, располагаемых под кузовом э. п. с., наиболь­шие габаритные ограничения h_max приходиться выдерживать па высоте. Чтобы определить эти ограничения для аппаратов электро­поезда, воспользуемся рис. 1.2, а. Здесь h_п — нормированная вы­сота пола вагона над головкой рель­са, определяемая условиями посадки пассажиров; —150 мм — нижнее габаритное ограничение для подрессо­ренных частей; h_р — вертикальный раз­мер рамы вагона, включая толщину пола; _м = 150—200 мм — монтаж­ный зазор между кожухом аппарата или аппаратной камерой и рамой ва­гона. При этом

_м) (1.2)

Действительные размеры аппаратов меньше на 100—200 мм из-за зазоров между ними и кожухом (оболочкой).

Рис. 1.2. Габариты расположения аппаратов под моторным вагоном

Суммарная ширина пространства размещения аппаратов под кузовом (рис. 1.2, б).

, (1.3)

где С = 3100 3550 мм — ширина кузова; 100 250 мм — боковые зазоры; е — 500 1700 мм — зазор, необходимый для обслуживания внутрен­ней стороны оборудования.

Внутренние зазоры между аппаратами и оболочкой (защитными кожухами) здесь такие же, как для ВВК электровозов, если вы­хлопы не выходят за пределы оболочки. Ограниченные габариты осложняют конструкцию тяговых аппаратов «и особенно коммута­ционных аппаратов.

Уровни возмущений н нестабильностей, воздействующих на аппараты. Значениями возмущений и нестабильностей определяют­ся условия эксплуатации аппаратов. Количественно их оценивают индексом сложности условий эксплуатации

=

где п_в — число видов возмущений или нестабильностей, оказывающих влияние на работоспособность аппарата.

Коэффициент вариации распределения основного количествен­ного показателя - любого i-гo возмущения из числа п_в

где σ_xi — среднее квадратичное отклонение случайной величины х_i-;

М — математическое ожидание

Индекс сложности условий эксплуатации определяет уровень конструктивных запасов, необходимых для того, чтобы аппарат или другое устройство работало устойчиво в рассматриваемых условиях эксплуатации. Для тяговых электроаппаратов значения С_сэ на порядок, а в некоторых случаях и на два порядка выше, чем у аналогичных аппаратов общетехнического назначении. Внешние динамические возмущения и вибрации. Тяговые аппа­раты устанавливаются в кузове э. п. с., под кузовом или на крыше, т. е, в основном они подрессорены. Иногда при установке отдельных аппаратов предусматривают амортизирующие элементы, например эластомерные прокладки. Не подрессоривают лишь устрой­ства для отвода тока, токоприемники при контактном рельсе.

Динамические силы, Н, воздействующие на аппарат или от­дельные его части

mg (1.4)

где а_д — динамическое инерционное ускорение; m — масса на которую действует это ускорение; g — ускорение свободного падения; — коэффи­циент динамики:

Направления динамических ускорений и сил различны; как по направлению, так и по модулю силы и ускорения имеют случайный характер. Для аппаратов, установленных в кузове, наибольшими являются обычно вертикальные ускорения и действующие вдоль оси пути. При отсутствии амортизаторов , при нали­чии их . Даже в случае применения установочных амортизаторов в результате возникновения резонансных колебаний значения /с_д всего аппарата или отдельной его части могут дости­гать 3,0—3,5. Хотя приведенные динамические силы сравнительно невелики, конструкция аппаратов должна быть устойчива к тряске.

Существенное влияние оказывают также вибрации даже при сравнительно небольших амплитудах. Для магистральных локо­мотивов вибрации возникают чаще всего в низкочастотном диапазо­не в пределах 24—100 Гц.

Исходя из этого все резьбовые соединения в тяговых аппаратах должны быть надежно предохранены от саморазвинчивания, кон­тактные соединения не должны допускать в эксплуатации сниже­ния контактного нажатия. Тяговые аппараты испытывают на обнаружение резонансных частот, вибростойкость, продолжительную вибропрочность при ускорениях а_д = lg, на воздействие одиноч­ных ударных нагрузок до 3g.

Повышенная загрязняемость. Большинство тяговых электро­аппаратов практически невозможно полностью защитить от внеш­них загрязнителей. Герметизация ВВК или других аналогичных камер недопустима. Воздух в таких камерах, имеющих малый объем, интенсивно ионизируется в результате нагревания и комму­тационного дугообразования. Это способствует перебросам элект­рической дуги на корпус или токоведущие части соседних аппара­тов. В аппаратных камерах необходим естественный или принуди­тельный обмен воздуха для их деионизации и охлаждения, т. е. в них должно поступать какое-то количество воздуха из кузова или пространства, окружающего э. п. с.При движении поезда со скоростью выше 80 км/ч, даже в слу­чае щебеночного балласта, каждый 1 м³ воздуха на уровне кузова содержит 25—30 мг пыли. При сильных снегопадах и снежных вью­гах масса снега в 1 м³ воздуха достигает 24—25 г. Полностью изолировать аппараты от этих загрязнителей невозможно, и какое их количество окажется в зоне расположения аппаратов, зависит от значительного числа зачастую случайных факторов.

Большое воздействие на состояние изоляционных поверхностей оказывает конденсация влаги и образование изморози при резких изменениях температур в условиях эксплуатации. В ряде районов особо неблагоприятны условия воздействия окружающей среды на электрооборудование. Например, в Приморье и на Дальнем Восто­ке имеет место засоленность воздуха, заметно влияющая на состоя­ние изоляционных поверхностей.

Из-за повышенной загрязняемости для тяговых электроаппара­тов принимают расчетные расстояния перекрытия в 2,5—3 раза большие, чем для аппаратов общетехнического назначения. Кроме того, на все детали аппаратов, подверженные коррозии, наносят антикоррозионные покрытия. В состав типовых испытаний включе­ны климатические испытания, особенно испытания на влагостой­кость.

Нестабильность напряжения. Нестабильность входных напря­жений оказывает сильное влияние на работу электрического обору­дования. Обычно отклонения входного напряжения от его номиналь­ного значения U_H0JA строго нормируют.

Нормы колебаний напряжений на токоприемниках магистраль­ных локомотивов постоянного тока допускают отклонения напряже­ния в пределах от +33 до —36%, переменного тока — от +16 до 25%. При работе по системе нескольких (многих) единиц колеба­ния напряжения в цепях управления на зажимах аппаратов могут составлять от 110 до 50%. Эти отклонения существенно превышают установленные для промышленных установок. Ужесточение соот­ветствующих нормативов на отклонения или технически затруднено, или экономически не оправдано.

В качестве примера воздействия нестабильности напряжения и цепей управления на работу и параметры тяговых аппаратов рас­смотрим их влияние на магнитодвижущую силу (м. д. с.) Ѳ катушки коммутационного аппарата. От ее значения зависит сила магнитно­го притяжения при включении аппарата, пропорциональная 0², т. е, ее влияние на срабатывание аппарата очень велико:

, где — число витков катушки; — ток в ее цепи: = u/ При постоянстве сопротивления катушки ток , пре­делы отклонений м. д. с., вызванные отклонениями напряжения, определятся как

(1.6)

Здесь все буквенные обозначения с индексом «б» соответствуют большим значениям, с индексом «м» — меньшим, «ном» — номи­нальным. Для того чтобы аппарат сработал при минимальном на­пряжении (в конце поезда), из-за нестабильности напряжения не­обходимо предусмотреть более чем двойной запас м. д. с.

Нестабильность напряжения оказывает большое влияние на работу магнитных усилителей всех видов. Несколько меньше она влияет на работу управляемых полупроводниковых приборов.

Температурные нестабильности. Огромная железнодорожная сеть СССР расположена в различных климатических зонах, т. е. ра­ботает в широком температурном диапазоне. Стандарты на тяговые аппараты предусматривает возможность их различного климати­ческого исполнения, однако для железнодорожного транспорта это нецелесообразно. Поэтому для всех аппаратов э. п. с. магистраль­ных железных дорог в соответствии с ГОСТ 9219—88 принимают наибольшую температуру окружающего воздуха Т_вmax=-60°С, наименьшую Тв_min = -50 °С (климатическое исполнение УХЛЗ) и Т_{в mln} = —60 °С (УХЛ1, УХЛ2). На практике температура воз­духа в ВВК достигает 70—80 °С. На дорогах Урала и Сибири, а особенно на БАМе зимой температура воздуха доходит до —60 °С. По ГОСТ температурный диапазон несколько занижен и составляет

60 + 50 = 110 °С.

Диапазон колебаний температур отдельных частей аппаратов может выходить за пределы нестабильности температур окружаю­щего воздуха. Например, для катушки коммутационного аппарата, рассмотренной ранее, наивысшая температура определяется ус­ловиями обеспечения работоспособности, т. е. допустимым превы­шением температуры τ_д над температурой окружающей среды. Зна­чения τ_д зависят от теплостойкости изоляции и относятся к нор­мативному значению температуры окружающего воздуха Т_вк ≤ 40 °С. Так, для многослойных катушек τ_д = 85 °С при изоля­ции класса А и τ_д =150 °С при изоляции класса Н. Предельные температуры катушки будут:

Нестабильность температуры вызывает нестабильность электри­ческих сопротивлений нагретой обмотки r_к. Катушки тяговых ап­паратов обычно изготовляют из медного провода, для которого соот­ношение сопротивлений предельно нагретой обмотки r_кг и предель­но холодной r_кх

. (1,7)

Для изоляции класса А: Т_mах = 125 °С и r_кг/r_кх ≅1,9; для изоляции класса Н: T_mах = 190 °С; r_кг/r_кх ≅ 2,3.

Случайные неблагоприятные совпадения нестабильностей на­пряжений и температур могут вызывать весьма значительные пре­дельные относительные отклонения м. д. с.:

r_кг/ r_кх) (1.8)

При изоляции класса А это отношение достигает 4,2, при изо­ляции класса Н — 5,1. Хотя вероятность совпадения неблагопри­ятных отклонений невелика, но для обеспечения достаточно высоких эксплуатационных показателей в этом случае требуются боль­шие конструктивные запасы.

Отметим, что рассмотренный пример не исчерпывает всех воз­можных температурных возмущений.

Нестабильность давления сжатого воздуха. В коммутационных аппаратах широко используют электропневматические приводы, в которых основная сила создается сжатым воздухом. По ГОСТ 9219—88 номинальное давление сжатого воздуха для тя­говых аппаратов установлено p _ном = 0,5 МПа. Не представляется возможным точно выдерживать это давление, поэтому нормирова­ны его отклонения: от

р_тin = 0,7р_н = 0,35 МПа до р_тах =1,35 p _ном = 0,675 МПа. Кроме того, аппарат в продолжении 1 мин без повреждений должен выдержать испытательное давление = 1.5р_ном = 0,75 МПа.

Значительные нестабильности давлений требуют больших конст­руктивных запасов. В электропневматических приводах эти запасы особенно велики вследствие большого удельного веса и значи­тельной нестабильности внутренних сил трения. Последние носят случайный характер, так как зависят от не всегда стабильного ка­чества смазки, случайных температурных условий, качества и со- стояния уплотнительных манжет, большого числа других факто­ров, также имеющих случайный характер.

В пневматических системах происходят местные сверхнорма­тивные падения давления сжатого воздуха в результате его мест­ных утечек. Поэтому для отдельных электропневматических аппа­ратов и их систем обязателен контроль и нормирование утечек сжа­того воздуха.

Предусмотрена проверка герметичности пневматического при­вода аппарата измерением утечки воздуха через привод из резервуа­ра вместимостью 1 л с начальным давлением, равным . Аппа­рат выдержит испытание, если через 10 мин давление снизится не более чем на 10%.

Аппарат, имеющий несколько узлов, находящихся под давлени­ем, или группу аппаратов испытывают на утечку от резервуара объемом 1 л. Давление в резервуаре не должно снижаться более чем на 10% начального р_н за время, мин,

m+0.5n)

где m — число электропневматических клапанов; п ~ число пневматических цилиндров, присоединенных к резервуару.

Качество питания. Качество питания оценивается отклонениями тока и напряжения, подаваемых на зажимы аппаратов, от тех, на которые они рассчитаны: от постоянного тока для аппаратов, пред­назначенных к работе в такой системе тока, и от синусоидального тока — для аппаратов переменного тока.

Многофазное выпрямление на тяговых подстанциях дорог по­стоянного тока обеспечивает практически отсутствие каких-либо заметных искажений напряжения и тока на э. п. с. Двухполупериодное выпрямление однофазного тока полупроводниковыми выпря­мителями локомотивов однофазно-постояиного тока приводит к за­метным искажениям как на первичной, так и на вторичной стороне энергетической установки.

На стороне выпрямленного тока качество питания оценивают коэффициентами пульсации напряжения и тока. Коэффициент пульсации напряжения

K_пU U_2n/ , (1.9)

где — амплитудное значение основной (второй) гармоники пульса- ций; — среднее значение выпрямленного напряжения.

При неуправляемых вентилях K_пU — 0,66-г0,7. В случае фазо­вого регулирования значение K_пU возрастает.

Коэффициент пульсации тока

(1.10)

где — соответственно максимальное и минимальное мгновенное значение выпрямленного тока.

При неуправляемых полупроводниковых элементах и существенно возрастает в процессе фазового регулирования. Значительные пульсации тока и напряжения появляются также при импульсном регулировании режимов работы тяговых двигателей.

Пульсации тока и напряжения оказывают заметное влияние на работу аппаратов, особенно распорядительных. При изменении ха­рактера пульсаций может изменяться уставка реле или другого подобного аппарата. В ряде случаев уставки оказываются неста­бильными и неточными, что вызывает необходимость предусматри­вать специальные устройства для их стабилизации.

На стороне переменного тока качество питания оценивают гар­моническим составом напряжения, характеризуемым отношением амплитуд высших гармоник к амплитуде 1-й гармоники:

При отсутствии инвертирования = 0,25 0,30; 0,12 . При наличии инвертирования, например для рекуперативного торможения, приведенные показатели значитель­но выше. Возрастают также и последующие гармоники. Значение коэффициента мощности /с_м обычно не превышает 0,75—0,82. Все это оказывает неблагоприятное влияние на работу не только распо­рядительных аппаратов, но и таких, как главные выключатели.

Переходные, неустановившиеся процессы. Такие процессы воз­никают при работе большой части тяговых электроаппаратов. Переходными считают процессы, на ход которых заметное влияние оказывают накопители энергии, входящие в электрооборудование, — катушки индуктивностей, конденсаторы.

Накапливаемая кинетическая энергия

, (1.11)

где ,vi — соответственно масса и скорость подвижных частей системы; — то же подвижных частей системы, исключая рассматриваемый аппарат; т_па, v_na — приведенные соответственно масса подвижных частей ап­парата и их скорость.

Накапливаемая электромагнитная энергия

(1.12)

где Li, Ii — соответственно индуктивность и ток электромагнитных эле­ментов системы; L_Cj, I_cj — то же, но без учета рассматриваемого аппарата; L_a, I_а — то же для рассматриваемого аппарата.

Если при высоких напряжениях в систему входят элементы больших емкостей, то может накапливаться значительная электро­статическая энергия

(1.13)

где C_i, Ui — соответственно емкость и напряжение системы; C_Cj, U_cj— то же без рассматриваемого аппарата; С_а, U_а — то же рассматриваемого ап­парата.

По структуре уравнения (1.11)—(1.13) аналогичны, что выте­кает из энергетической аналогии рассматриваемых процессов. Поэтому в дальнейшем можно рассматривать только один накопи­тель энергии, например индуктивность, как наиболее характер­ный для тяговых аппаратов. Выводы, полученные для этого нако­пителя, могут быть исходя из законов подобия распространены и на другие накопители.

Как правило, для всех аппаратов, кроме некоторых параметри­ческих,

Это значит, что параметры аппаратов не могут оказать замет­ного влияния на переходный процесс. Только специальные токо- ограничивающие реакторы вследствие значительной индуктивнос­ти заметно замедляют нарастание тока короткого замыкания, об­легчая его отключение. Следовательно, такой реактор — парамет­рический аппарат. Для коммутационных аппаратов и особенно ап­паратов защиты очень важно повышение интенсивности переход­ного процесса самого аппарата. Чем интенсивнее нарастает или снижается ток аппарата, тем быстрее он срабатывает и оказывает управляющее воздействие на систему. Для аппарата при переход­ном процессе это определяется постоянной времени

Т_а =

где - соответственно полная индуктивность распорядительных цепей аппарата и полное активное сопротивление тех же цепей.

Ток срабатывания будет достигнут тем быстрее, чем меньше Т_а. Во всяком случае желательно выполнение условия

Так как параметры систем и цепей для тяговых аппаратов мо­гут быть весьма различными, то для контакторов и автоматичес­ких выключателей нормировано значение Т_а = L/R = 0,01c ± 15%, исключая контакторы цепей управления, для которых Соответственно для контакторов пере­менного тока cos = 0,65±0,05 и в цепях управления cos = 0,5±0,05. Для быстродействующих автоматических выключате­лей значения Т_а и cos меньше. Для быстродействующих выклю­чателей они в значительной степени зависят от конструкции маг­нитной системы.

К возмущениям и нестабильностям, действующим на тяговые электроаппараты, относятся неравномерность распределения токовых нагрузок, весьма существенные для некоторых видов ап­паратов. изменения параметров в условиях эксплуатации, нерав­номерность тепловых и ионизационных полей в ВВК. На рабо­ту некоторых аппаратов большое неблагоприятное влияние ока­зывают электромагнитные наводки, значительные в ВВК, и ряд других возмущений. Все это значительно утяжеляет условия эксплуатации по сравнению с условиями, в которых работают аппараты общетехнического назначения.

Поэтому при разработке тяговых электроаппаратов принимают повышенные конструктивные запасы, что приводит к менее бла­гоприятным массо-габаритным показателям, чем для аналогичных аппаратов общетехнического назначения. Некоторые конструк­тивные решения представляют собой специфическую особенность тяговых аппаратов. Например, в них широко применяют электропневматические приводы; чаще используют групповые приводы.

Дата добавления: 2015-07-12