Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломная работа

на тему

Диагностика силовых цепей ВЛ80с

Введение

Электрическая тяга на железных дорогах, в отличие от автономной тяги (с применением тепловозов), получает все более широкое распространение, поскольку обладает целым рядом преимуществ [23].

Коэффициент полезного действия (КПД) электрической тяги выше, чем КПД автономной тяги (КПД тепловоза составляет 28-30 %). Если энергия для питания электрифицированной железной дороги поступает от тепловой электростанции, то КПД электрической тяги составляет 30-35 %. Если энергия поступает от ГЭС или АЭС, то КПД электрической тяги составляет 60-65 %. Применение электрической тяги позволяет повысить провозную и пропускную способность участков железной дороги за счет создания электровозов большой мощности. Как известно, мощность автономного локомотива (главным образом, тепловоза) ограничена мощностью его энергетической установки (дизеля), тогда как мощность электровоза ограничена только конструктивными параметрами его электрического оборудования, поскольку через токоприемник электровоз подключается к источнику практически с неограниченной мощностью [9].

Применение электрической тяги позволяет повысить эффективность использования природных ресурсов за счет сжигания на тепловых электростанциях низкосортного дешевого топлива (уголь, торф, газ), непригодного для работы тепловозов. Электрическая тяга оказывает меньше вредного воздействия на окружающую среду. Она позволяет экономить энергетические ресурсы за счет применения рекуперации электрической энергии (т.е. выработки и возврата электрической энергии в контактную сеть при движении на спусках).

В настоящее время в России применяются две системы электрификации железных дорог:

1. Система постоянного тока с напряжением в контактной сети 3000 В (2400-3300 В).

2. Система переменного тока промышленной частоты 50 Гц и напряжением в контактной сети 25 000 В (19 000-5-29 000 В).

Достоинства системы электроснабжения на переменном токе [25]:

1. Значительная экономия меди на контактный провод (примерно в 2 раза), так как ток в контактной сети на переменном токе в 9 раз меньше, чем в контактной сети на постоянном токе.

2. Меньшее (примерно в 2 раза) количество тяговых подстанций и более простое их устройство.

3. Меньше потери электроэнергии в контактной сети, так как величина этих потерь сильно зависит от силы тока в контактном проводе.

4. Возможность питания от контактной сети через понижающие трансформаторы прилегающих населенных пунктов.

Недостатки системы энергоснабжения на переменном токе:

1. Сильное влияние переменного тока в контактной сети на близлежащие линии связи, которые в связи с этим необходимо выполнять кабелем в земле.

2. Более сложные и дорогие электровозы и электропоезда.

Электровозы [4] классифицируют по следующим основным признакам: по роду тока, по назначению, по числу осей. Цифры «2» и «3» в осевых формулах означают число колесных пар (осей) в одной тележке. Знак «о» означает, что каждая колесная пара имеет свой ТЭД (т.е. «обмоторена»). Знак «+» означает, что тележки сочлененные, т.е. рамы тележек в электровозе соединены специальным шкворнем, через который передаются силы тяги и торможения. Знак «-» означает, что тележки не сочленены, и сила тяги передается через раму кузова. Скобки (...) означают одну секцию, а цифра перед ними означает количество секций в одном электровозе.

В настоящее время основным предприятием в России, которое выпускает электровозы, является Новочеркасский электровозостроительный завод, сокращенно НЭВЗ.

Условное обозначение электровоза включает в себя: серию, номер и индекс. Всем отечественным электровозам (кроме электровозов ЭП -- электровоз пассажирский) ранее была присвоена единая серия «ВЛ». Номер после серии соответствует определенному типу электровоза и несет в себе информацию о нем:

1-8-18 -- восьмиосные электровозы постоянного тока (кроме ВЛ15, у которого 12 осей на две секции), например ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11.

19-39 -- шестиосные электровозы постоянного тока, например ВЛ23.

40-59 -- четырехосные электровозы переменного тока, например ВЛ41.

60-5-79 -- шестиосные электровозы переменного тока например: ВЛ60.

От 80 -- восьмиосные электровозы переменного тока, например ВЛ80 (кроме ВЛ85, у которого 12 осей на две секции).

К основному обозначению может быть добавлен буквенный индекс, который несет в себе дополнительную информацию об электровозе, например: а -- асинхронные ТЭД (ВЛ80а); к -- силовые выпрямительные установки на кремниевых диодах (ВЛ60к, ВЛ80к); м -- проведенная модернизация (ВЛ82м); р -- рекуперативное торможение (ВЛ80р); с -- система многих единиц (ВЛ80с); т -- реостатное торможение (ВЛ80т).

Электровоз ВЛ80с [28] сочетает в себе основные идеи и конструктивные решения, которые были реализованы на электровозах ВЛ80т. Его силовые выпрямительные установки, так же как и на других электровозах, выполнены на кремниевых вентилях, он также может работать в режиме реостатного торможения. Однако этот электровоз имеет дополнительное оборудование для работы по системе многих единиц, т.е. возможность управлять двумя, тремя и четырьмя секциями с одного поста. Конструкция этого электровоза сочетает в себе наилучшие на тот период времени технические решения, которые можно было реализовать на восьмиосном электровозе со ступенчатым регулированием напряжения.

Электровоз состоит из механического, электрического и пневматического (тормозного) оборудования.

Напряжение контактной сети электровоза, снимаемое токоприемником, через контакты главного воздушного выключателя подается на первичную обмотку тягового трансформатора, в результате чего по ней начинает протекать переменный ток, который через корпус электровоза и колесные пары отводится в рельсовую цепь. Тяговый трансформатор имеет три вторичных обмотки: две обмотки для питания тяговых электрических двигателей и одну обмотку собственных нужд для питания вспомогательного оборудования электровоза.

Скорость движения электровоза регулируют путем изменения подводимого к ТЭД напряжения (33 позиции), а также путем изменения магнитного потока в обмотках возбуждения ТЭД (3 позиции). Для возможности изменения напряжения, подводимого к ТЭД, тяговые вторичные обмотки трансформатора выполнены секционированными, т.е. имеют несколько выводов, с которых можно снимать различные значения напряжения (от 58 до 1218 В).

Для переключения секций вторичных обмоток тягового трансформатора с целью изменения напряжения, подводимого к ТЭД, служит групповой переключатель (главный электроконтроллер).

В качестве тяговых двигателей используются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, поэтому измененное главным контроллером переменное напряжение преобразовывается в постоянное (выпрямляется) в выпрямителях на кремниевых вентилях. Каждая выпрямительная установка питает по два параллельно соединенных тяговых двигателя первой или второй тележки.

Машинист, осуществляя переключения в цепях управления с помощью контроллера машиниста, дистанционно управляет главным контроллером, который переключает секции вторичных обмоток тягового трансформатора таким образом, что напряжение, подводимое к ТЭД, будет увеличиваться (набор позиций) или уменьшаться (сброс позиций). Главный контроллер, замыкая и размыкая свои силовые контакты в различной комбинации, однозначно подключает к выпрямительным установкам определенное количество секций трансформатора, в результате чего каждой позиции можно поставить в соответствие вполне определенное значение напряжения. При таком способе регулирования напряжение на ТЭД изменяется от одного значения до другого скачком, поэтому такой способ регулирования напряжения на ТЭД называют ступенчатым.

Обилие переключаемых сильноточных цепей, т. е. механических контактов, приводит к достаточно частому выходу из строя силового оборудования электровоза. Для предотвращения поломок в пути следования необходимой является диагностика электрооборудования. Поэтому диагностическая лаборатория является неотъемлемой частью локомотивного депо, а вопросы проведения оперативной (и по возможности мобильной, т. е. независимой от стационарных испытательных стендов) диагностики выступают на первый план, особенно в настоящее время, когда строгая экономия средств является первоочередным условием выживания предприятий.

В настоящей работе будут рассмотрены вопросы диагностики силовых цепей электровоза ВЛ80с, а также будет предложен вариант современных диагностических аппаратов, способных, по мнению автора, улучшить качество диагностики, уменьшить затрачиваемое на нее время и позволить проводить диагностику в условиях движения электровоза.

Для выполнения поставленной задачи мы рассмотрим особенности электрической схемы ВЛ80с, выявим наиболее подверженное отказам оборудование, изложим принципы диагностики различных составляющих силовой схемы электровоза. Далее мы проанализируем схему с точки зрения оптимального выбора аппаратов диагностики и контрольных точек.

В разделе охраны труда будет рассмотрен вопрос безопасности диагностических работ под высоким напряжением. В экономической части мы изучим в цифрах затраты на содержание диагностической лаборатории в сравнении с необходимостью замены оборудования при поломках.

1. Статистика отказов за 10 лет

1.1 Краткая характеристика силовых цепей электровоза ВЛ80с

Параметры электровоза ВЛ80с:

Длина по осям автосцепок -- 32480 мм.

Высота от головок рельс до полоза опущенного токоприёмника -- 5100 мм.

Мощность часового режима -- 6520 кВт.

Сила тяги часового режима -- 45,1 тс.

Скорость часового режима -- 51,6 км/ч.

Каждый электровоз ВЛ80 с завода выходил составленным из двух секций, но схема электровозов ВЛ80с предусматривает синхронную работу трёх или четырёх секций. Механическая часть секции ВЛ80 -- две одинаковые двухосные тележки. Рамы тележек сварные, буксы с роликовыми подшипниками связаны с рамой тележки поводками с сайлент-блоками (резинометаллическими шарнирами). Тяговые и тормозные усилия передаются от тележек к кузову через шкворни. Тяговые электродвигатели (ТЭД) НБ-418К6 имеют опорно-осевое подвешивание. Зубчатая передача от тягового двигателя к колёсным парам двухсторонняя, косозубая, с жестким венцом зубчатого колеса. Диаметр колесных пар при новых бандажах по паспорту -- 1250 мм, фактически -- 1280--1290 мм.

На каждой секции установлено следующее основное оборудование:

пантограф для токосъёма с контактной сети, расположенный над кабиной машиниста, и главный выключатель (ГВ) ВОВ-25М;

тяговый трансформатор с масляным мотор-насосом (МН), две выпрямительные установки ВУК той или иной модификации и главный контроллер ЭКГ-8Ж (на электровозе ВЛ80р ВУК и ЭКГ-8Ж заменены двумя преобразователями ВИП-2200);

фазорасщепитель (ФР) НБ-455А, вырабатывающий третью фазу (первой и второй фазами становятся выводы обмотки собственных нужд) для питания асинхронных двигателей остальных вспомогательных машин;

несколько мотор-вентиляторов (МВ) для охлаждения оборудования и наддува кузова, среди которых обязательно имеются два МВ для охлаждения ТЭД, по одному на тележку;

мотор-компрессор (МК) КТ-6Эл для обеспечения воздухом тормозов на локомотиве и в поезде, силовых электроаппаратов, блокировок высоковольтной камеры, подачи звуковых сигналов свистком (тихий) и тифоном (громкий), работы пневмопривода стеклоочистителей.

Трансформатор имеет тяговую обмотку и обмотку собственных нужд (ОСН) с напряжением холостого хода 399 В (напряжение под номинальной нагрузкой около 380 В), служащую для питания вспомогательных машин и цепей управления. Для стабилизации напряжения на вспомогательных двигателях при значительных колебаниях напряжения в контактной сети (ниже 19 кВ и выше 29 кВ) предусмотрены две отпайки ОСН с напряжением 210 и 630 В, переключаются они вручную на трансформаторе. Напряжение на тяговых двигателях регулируется оперативно в процессе управления электровозом [27].

Цепи управления питаются напряжением 50 В от ТРПШ -- трансформатора, регулируемого подмагничиванием шунтов, через диодный выпрямитель. Для сглаживания пульсаций после выпрямителя установлены два дросселя Д1 и Д3, но в настоящее время на некоторых электровозах медные обмотки дросселей сняты работниками депо в корыстных целях и в блоке силовых аппаратов № 1 (где стоит ТРПШ) видны одни только распушённые сердечники.

Скорость движения электровоза регулируется изменением напряжения, подводимого к тяговым двигателям (ТЭД). На всех разновидностях ВЛ80, кроме ВЛ80Р, напряжение на ТЭД регулируется переключением под нагрузкой отпаек тягового трансформатора при помощи электроконтроллера главного ЭКГ-8Ж. Это установленный на тяговом трансформаторе большой групповой переключатель, имеющий 30 контакторных элементов без дугогашения и 4 с дугогашением, обеспечивающих переключение первых тридцати без нагрузки. Контакты элементов вынуждены пропускать большие токи, поэтому изготовлены из угольно-серебряной композиции; всего один ЭКГ-8Ж содержит 12 кг серебра. Привод ЭКГ -- двигатель постоянного тока на напряжение 50 В, мощностью 500 Вт. При работе этого электродвигателя на электровозе падает напряжение в цепях управления и тускнеет свет.

Тяговая обмотка трансформатора состоит из двух нерегулируемых частей и двух регулируемых; последние разделены на четыре секции каждая. Вначале нерегулируемые части включены встречно с регулируемыми, а так как напряжение нерегулируемых несколько больше, то напряжение регулируемых частей вычитается из напряжения нерегулируемых и на тяговые двигатели поступает напряжение 42 В. Затем секции регулируемых частей поочерёдно выводятся, напряжение на ТЭД растёт. На 17-й позиции ЭКГ регулируемые части полностью выключены. При переходе на 18-ю позицию регулируемые части включаются согласно с нерегулируемыми и далее происходит включение их секций, на 33-й позиции ЭКГ все секции регулируемых частей включены согласно с нерегулируемыми, напряжение на ТЭД максимально.

Электрический аппарат -- это электротехническое устройство, которое служит для включения и отключения электрических цепей, с целью управления электровозом и регулирования параметров работы его электрического оборудования, а также для защиты этого оборудования от аварийных режимов [5].

По принципу действия электрические аппараты можно условно разделить на две основные группы: контактные и бесконтактные.

Контактные аппараты -- выполняют свои функции с помощью механического разрыва электрической цепи своими подвижными контактами (контакторы, реле, переключатели, разъединители, тумблеры, кнопки, и др.).

Бесконтактные аппараты -- выполняют свои функции без механического разъединения электрических цепей, т.е. не имеют подвижных контактов (резисторы, дроссели, датчики, и др.).

При работе электровоза в его схеме происходит большое количество переключений (реверсирование ТЭД, регулирование напряжения, подводимого к ТЭД, включение в работу вспомогательных машин и др.), связанных с соединением и разъединением электрических цепей. В результате контактные аппараты подвергаются более интенсивному износу, чем бесконтактная аппаратура, поэтому в эксплуатации именно этим аппаратам необходимо уделять повышенное внимание.

Все контактные аппараты условно состоят из двух основных частей: привода и контактной системы. Эти аппараты можно классифицировать по следующим признакам: по типу привода, форме контактов в точке касания, способу гашения дуги и по назначению в схеме электровоза.

1. Классификация электрических аппаратов электровоза по типу привода. В зависимости от вынуждающей силы, которая заставляет контакты взаимодействовать друг с другом, электрические аппараты разделяют на: аппараты с ручным приводом, аппараты с электромагнитным приводом, аппараты с пневматическим приводом, аппараты с моторным приводом и аппараты с тепловым приводом.

2. Классификация электрических аппаратов электровоза по форме контактов в точке касания. В зависимости от формы поверхности, по которой осуществляется контакт подвижного контакта с неподвижным (по форме контактного пятна), аппараты классифицируют на: аппараты с точечными контактами, аппараты с линейными контактами и аппараты с поверхностными контактами

Контактное пятно в виде точки образуется, если контактирующим поверхностям придать форму сфер или сферы и поверхности. Точечные контакты применяют в цепях управления при токах до 8 А (у медных контактов) и до 120 А (у контактов из серебряных сплавов).

Контактное пятно в виде линии образуется, если контактирующие поверхности имеют цилиндрическую форму и соприкасаются по образующим или по цилиндрической образующей и плоскостью. Площадь соприкосновения зависит от величины деформации контактов и ширины контактов. Линейные контакты используют в силовых цепях при токах до 2000 А.

Поверхностные контакты соприкасаются не всей поверхностью, а отдельными контактными пятнами, количество, площадь и расположение которых случайны и зависят от состояния контактных плоскостей и от взаимного давления контактных поверхностей друг на друга. Например, у дугогасительных контактов ГВ касание контактов происходит по шаровой поверхности, а у разъединителей -- по плоскости.

При любой форме контактов их контактная поверхность должна быть не менее 80 % от возможной, что проверяется по отпечатку, который оставляют контакты на копировальной бумаге.

3. Качественная работа контактных соединений зависит от степени их нагревания в процессе длительной работы. Чрезмерное нагревание контактов приводит к их окислению, а окисные пленки большинства металлов (кроме серебра) не проводят электрический ток, что приводит к повышению переходного сопротивления в месте контакта. В соответствии с ГОСТ 9219-88 установлены следующие превышения температуры контактных соединений для температуры окружающего воздуха не выше +40 °С и при условии, что они не вызывают нагрева соседних частей выше допустимых для них температур:

- коммутирующие контакты из меди, сплавов меди и металлокерамики, а также скользящие контакты с накладками из серебра или металлокерамики -- 75 °С;

- коммутирующие контакты реле при малых нажатиях (до 5 Н) с накладками из серебра или металлокерамики на основе серебра -- 65 °С;

- разборные и неразборные контактные соединения внутри аппарата, контактные соединения выводов из аппарата к внешним проводам -- 65 °С;

- разборные и неразборные контактные соединения внутри аппарата, контактные соединения выводов из аппарата к внешним проводам с покрытием контактной поверхности серебром -- 80 °С;

- контакты и другие детали, работающие как пружины: медные -- 35 °С; медные контакты разъединителей--50 °С; из бериллиевой бронзы -- 110 °С; из углеродистой конструкционной стали -- 45 °С.

4. Классификация электрических аппаратов по способу гашения электрической дуги на контактах. В электрических аппаратах электровоза реализованы следующие способы гашения электрической дуги:

- принудительное удлинение дуги путем разъединения контактов, использования защитных рогов на контактах, путем воздействия магнитного поля;

- охлаждение межконтактного пространства потоком воздуха;

- дробление дуги на ряд отдельных коротких дуг деионной решеткой, встроенной в дугогасительную камеру.

Большинство аппаратов имеют комбинированное дугогашение, т.е. в их конструкции реализовано сразу несколько способов гашения электрической дуги. Например, в контакторе главного контроллера гашение дуги осуществляется за счет ее удлинения магнитным полем катушки, а также используется дробление дуги в дугогасительной камере и охлаждение межконтактного пространства потоком воздуха.

5. Классификация электрических аппаратов по назначению в схеме электровоза. В зависимости от электрической цепи, в которую включаются главные контакты аппаратов в схеме, и выполняемых ими функций аппараты электровоза классифицируют на следующие группы:

- аппараты высоковольтных цепей -- главные контакты включены в цепь первичной обмотки тягового трансформатора, поэтому эти аппараты рассчитаны для работы под напряжением 25 кВ при длительных токах не более 400 А;

- аппараты силовых цепей -- главные контакты включены в цепи питания ТЭД, они работают под напряжением не более 1200 В, но при токах свыше 1000 А;

- аппараты вспомогательных цепей -- главные контакты включены в цепи питания вспомогательного оборудования электровоза от обмотки собственных нужд, они работают под напряжением не более 500 В, и при длительных токах не более 1000 А;

- аппараты цепей управления -- выполняют функции управления и работают под напряжением 50 В при токах менее 50 А;

- аппараты защиты -- выполняют функции защиты от аварийных режимов в различных цепях электрической схемы.

Основные параметры контактов [26]. 1. Сила нажатия (кгс) -- это усилие, которое необходимо приложить, чтобы оторвать подвижный контакт от неподвижного. Нажатие зависит от силы притирающей пружины подвижных контактов. Нажатие бывает: начальное - в момент начала сжатия притирающей пружины и конечное -- создается силой притирающей пружины дополнительно сжатой на величину провала. Нажатие контактов не зависит от величины магнитного потока включающей катушки, так как якорь контактора или реле всегда плотно притягивается к сердечнику при напряжении катушки свыше 37,5 В, однако этот магнитный поток должен быть пропорционален силе притирающих пружин всех контактов. Величину нажатия замеряют динамометром. Величина нажатия непосредственным образом влияет на значение максимального тока, который может протекать через контакты аппарата, не разрушая их. Например, номинальный ток через контакты кулачкового контактного элемента типа КЭ-153, включенного в цепи управления, составляет 16 А, для этого его подвижная система создает нажатие, равное 0,3 кгс; номинальный ток через главные контакты электромагнитного контактора типа МК-84, включенные во вспомогательные цепи, составляет 150 А, поэтому его контактная система для обеспечения нормального контакта при протекании такого тока создает нажатие контактов не менее 3,8 кгс.

2. Разрыв (раствор) контактов (мм) -- это наименьшее расстояние между разомкнутыми контактами аппарата. От величины разрыва между контактами зависит номинальное напряжение на контактах аппарата и способ гашения дуги. Величина разрыва проверяется предельными шаблонами и штангенциркулем. Например номинальное напряжение, под которым работают контакты кулачкового контактного элемента типа КЭ-153, включенного в цепи управления, составляет 50 В, для этого его подвижная система обеспечивает разрыв его контактов на 4,5 мм; номинальное напряжение, под которым работают контакты электромагнитного контактора МК-84, включенного во вспомогательные цепи, составляет 380 В, поэтому подвижная система этого контактора обеспечивает разрыв его контактов на 15 мм.

3. Провал контактов (мм) -- это условное дополнительное расстояние, которое прошел бы подвижный контакт при полном включении аппарата, если неподвижный контакт убрать. Провал необходим для создания надежного контакта и обеспечивает:

- самозачищение контактов, которое происходит, когда подвижный контакт скользит по неподвижному в момент включения и отключения аппарата, при этом снимается оксидная пленка и увеличивается поверхность соприкосновения между контактами;

- разрыв контактов на концах, за счет чего рабочие поверхности контактов меньше подгорают от действия электрической дуги;

- одновременное замыкание всех подвижных контактов, расположенных на общей планке (штоке) аппарата.

У некоторых аппаратов измерить действительный провал контактов невозможно, поэтому замеряется зазор между подвижным контактом и его упором при полном включении контактов.

Примечания. 1. В качестве основного материала для изготовления контактов используют медь и ее сплавы. Например, для коммутационных контактов контакторов, обеспечивающих размыкание цепей под током, используют твер-дотянутую профильную медь марки М1, а для дугогасительных контактов контакторов используют сплав медь-вольфрам МВ-70 или композит КМК-Б21 (медь 27 %, никель 3,5 % и вольфрам 69,5 %).

Электротехническая медь, как и ее оксиды, имеет пониженное контактное сопротивление и относительно низкую стоимость, что позволяет широко использовать ее для изготовления контактов аппаратов, однако контакты на ее основе в эксплуатации быстро изнашиваются, поэтому для устранения этого недостатка в последнее время получили широкое распространение контакты на металлокерамической основе, выполненные путем прессования смеси порошков различных металлов. Например, для обеспечения хорошего длительного контакта в силовых цепях используется композиция серебро-окись кадмия СОК-15 (серебро 85 %, окись кадмия 15 %). Контакты, изготовленные по такой технологии, приобретают новые выгодные свойства, которые значительно повышают их долговечность в эксплуатации при сохранении остальных положительных качеств. Металлокерамические пластины приваривают к контактным поверхностям.

2. Нормы колебаний напряжения на токоприемнике магистральных электровозов переменного тока допускают отклонения напряжения в пределах от +16 % до -25 %. Поэтому все электрические аппараты электровоза должны сохранять работоспособность при понижении напряжения на их катушках в цепях управления до 37,5 В, что составляет 75 % от номинального значения напряжения цепей управления 50 В. У электромагнитных контакторов и реле напряжение срабатывания регулируется изменением зазора между якорем и сердечником, а также за счет изменения силы, отключающей пружины якоря.

Электрические аппараты с пневматическим приводом должны обеспечивать нормальную работоспособность в пределах давлений воздуха от 3,5 до 6,75 кгс/см2 при номинальном давлении воздуха 5 кгс/см2.

3. Все электрические аппараты электровоза после включения при напряжении свыше 37,5 В отключаются при уменьшении напряжения на их катушках до 20+25 В. Это объясняется тем, что после включения якоря аппарата зазор между якорем и сердечником уменьшается до нуля и за счет этого магнитный поток включающей катушки увеличивается в два раза. Таким образом, все применяемые на электровозе аппараты малочувствительны на отключение. Поэтому для повышения чувствительности отдельных аппаратов на отключение в цепь их катушек сразу после включения автоматически вводится токоограничивающее сопротивление. Такой способ повышения чувствительности на отключение аппарата используют для дифференциальных реле 21, 22 в блоке БРД и для контактора К на распределительном щите РЩ-34.

4. Под якорями электромагнитных контакторов и реле укреплена диамагнитная прокладка в виде пластинки из диамагнитного (не магнитного) материала меди или алюминия. Она служит для исключения залипания якоря аппарата к сердечнику, которое происходит за счет остаточного магнитного потока после снятия питания с катушки аппарата.

5. Магнитное дугогашение реализовано в конструкции почти всех контакторов с дугогашением (кроме электромагнитных контакторов мости-кового типа). При включенном состоянии контактора через дугогаситель-ную катушку протекает ток. При этом дугогасительная катушка создает свой магнитный поток, который замыкается по сердечнику внутри дугогасительной катушки, по стальной пластинке сбоку дугогасительной камеры (или шихтованному магнитопроводу в контакторах ЭКГ), по воздуху внутри дугогасительной камеры, по другой стальной пластинке сбоку дугогасительной камеры и затем к сердечнику дугогасительной катушки. Направление магнитного потока катушки определяется по правилу обхвата правой руки.

При отключении с током и с дугой на силовых контактах этот магнитный поток дугогасительной катушки пересекает дугу и выталкивает ее как проводник с током внутрь дугогасительной камеры. Направление выталкивания определится правилом левой руки. При этом дуга перебрасывается на дугогастительные рога (если они есть), которые являются продолжением неподвижного и подвижного силовых контактов. При этом электрическая дуга значительно растягивается и гаснет внутри дугогасительной камеры.

Если изменить направление тока по силовым контактам, то при отключении с током электрическая дуга будет выталкиваться в ту же сторону внутрь дугогасительной камеры, так как одновременно изменяется направление тока в дуге и в дугогасительной катушке. Поэтому магнитное дугогашение можно применять также и в цепях переменного тока [6].

После подъема токоприемника и включения ГВ от контактной сети по первичной обмотке тягового трансформатора (см. принципиальную схему ВЛ80с, рис. 1.1 [22, 28]) начнет протекать переменный ток: через токоприемник 1, через дроссель ДП, через разъединитель токоприемника 2, через контакты ГВ, через фильтр 10, по токоведущему стержню трансформатора тока TT, по первичной обмотке тягового трансформатора З(А-Х), через шину трансформатора тока 23, по металлическому кузову электровоза и далее в рельсовую цепь. На другую секцию ток идёт через межсекционный разъединитель 6.

Если напряжение в контактной сети 25 кВ, то на выводах тяговых вторичных обмоток трансформатора будут следующие значения напряжения: на каждой нерегулируемой обмотке с выводами al-xl и а2-х2 -- по 638 В; на каждой регулируемой обмотке с выводами 1-01 и 5-02 -- по 580 В, из них в каждой секции регулируемой обмотки -- по 145 В.



На «0» позиции ЭКГ все контакторы ПС (переключателя ступеней, кроме контактора 30) и все контакторы ПО (переключателя обмоток, кроме контакторов 32, 33) отключены и нет замкнутой цепи для протекания тока через ТЭД.

На любой позиции ЭКГ результирующее напряжение, которое подводится к выпрямительным установкам, всегда снимается с вывода нерегулируемой обмотки трансформатора и с вывода средней точки ПРА (переходного реактора), т.е. с выводов а 1-01 и а2-0.

Переход с нулевой позиции ЭКГ на первую происходит через промежуточную позицию «Ш», без остановки ЭКГ на этой позиции.

При переходе с «0» позиции на «Ш» вначале размыкается контактор А, затем замыкается контактор 11 ПС и далее снова замыкается контактор А и размыкается контактор 30 ПС. Таким образом на выводах а 1-01, появляется напряжение для питания ТЭД, а на выводах а2-0 напряжения нет, поэтому для исключения длительной работы электровоза на такой позиции главный контроллер не останавливаясь осуществляет переход с позиции «П1» на первую позицию.

При переходе с позиции «Ш» на «1» вначале размыкается контактор Г, затем замыкаются контакторы 15 ПС и 36, 37 ПО, после чего вновь замыкается контактор Г. В результате на выводах а2-0 также появляется напряжение для питания ТЭД.

На «1» позиции включены следующие контакторы ЭКГ: А, Б, В, Г (контакторы с дугогашением включены на серединах всех позиций); 11,15 ПС; 32, 33 и 36, 37 ПО (включены до 17 позиции).

При переходе с «1» позиции на «2», в ЭКГ на первом этапе отключается контактор с дугогашением Б, на втором этапе при обесточенной шине Б включается контактор 22 ПС; на третьем этапе включается контактор с дугогашением Б.

Вторая позиция ЭКГ является неходовой по следующим причинам:

а) на ТЭД подается несимметричное напряжение (на левой полуобмотке трансформатора напряжение на 145/2 = 72,5 В больше, чем на правой полуобмотке). От этого ухудшается коммутация ТЭД;

б) переходной реактор 25 работает делителем напряжения с дополнительным контурным током 1100 А, от чего происходит его нагрев.

При переходе со «2» позиции на «З», в ЭКГ на первом этапе отключается контактор с дугогашением В; на втором этапе при обесточенной шине В включается контактор 26 ПС; на третьем этапе снова включается контактор с дугогашением В.

На третьей позиции ЭКГ на ТЭД подается симметричное напряжение (одинаковое в первой и во второй полупериоды) 130,5 В. Но третья позиция является неходовой, так как оба плеча (А1-Х1) и (А-Х) переходного реактора 25 работают делителями напряжения с дополнительным контурным током (1100 А), что приводит к их нагреву.

При переходе с «3» позиции на «4», в ЭКГ на первом этапе отключается контактор с дугогашением А; на втором этапе при обесточенной шине А отключается без дуги контактор 11 и затем включается контактор 12 ПС; на третьем этапе снова включается контактор с дугогашением А.

Четвертая позиция -- неходовая, так как на ТЭД подается несимметричное напряжение (на левой полуобмотке трансформатора напряжение на 72,5 В больше, чем на правой полуобмотке); и плечо (А1-Х1) переходного реактора 25 работает делителем напряжения с дополнительным контурным током (1100 А), что вызывает его нагрев.

При переходе с «4» позиции на «5», в ЭКГ на первом этапе отключается контактор с дугогашением Г; на втором этапе при обесточенной шине Г отключается без дуги контактор 15 и затем включается контактор 16 ПС; на третьем этапе включается контактор с дугогашением Г.

Пятая позиция ЭКГ -- ходовая, так как на ТЭД подается одинаковое симметричное напряжение и оба плеча (А1-Х1) и (А-Х) переходного реактора 25 работают делителем тока без внутренних контурных токов, поэтому не перегреваются. По тем же причинам являются ходовыми позициями: 1, 9, 13, 17, 21, 25, 29, 33.

При наборе с «5» до «17» позиции силовая схема работает подобно набору с 1 до 5 позиции. При этом секции двух регулируемых обмоток трансформатора, где напряжения направлены встречно с напряжением нерегулируемых обмоток, постепенно, по 0,5 секции, выводятся из работы.

Необходимо помнить, что на всех позициях ЭКГ при встречном включении обмоток трансформатора (до 17-й позиции) есть дополнительные потери электроэнергии на нагрев встречно включенных секций вторичной обмотки трансформатора, поэтому для экономии электроэнергии на тягу поезда необходимо по возможности быстрее осуществлять набор 17-й позиции и выше и ограничить время движения на неходовых позициях.

1.2 Гистограмма отказов силовых цепей

В схеме ВЛ80с предусмотрены режимы работы при частично неисправных устройствах и аппаратах силовых цепей; есть возможность их резервирования и оперативной замены. Не существует сколько-нибудь надежной корреляции отказов по данному типу электровозов с их эксплуатационными особенностями на той или иной железной дороге; очевиден лишь факт увеличения отказов с износом при эксплуатации. Нерезервируемым звеном электрифицированных линий является КС (контактная сеть), отказы которой приводят к задержкам поездов и экономическому ущербу. Полный ущерб от отказов устройств КС зависит от степени использования пропускной способности участка железной дороги и времени восстановления работоспособного состояния устройства, вызвавшего нарушение графика движения.

Рассмотрим статистику отказов на примере КС [20, 25].

За последние 5--10 лет, несмотря на сокращение размеров движения, наметился рост интенсивности отказов, имеющий четкую корреляционную связь со сроком службы КС. Наступил период катастрофического старения КС на основных магистралях железных дорог. Длина электрифицированных линий, которые находятся в эксплуатации больше 40 лет за последние 10 лет увеличилась по дорогам в среднем в 20 раз, в том числе и на участках переменного тока.

Все существующие подходы к КС -- система технического обслуживания и ремонта (СТОиР), численность персонала и т.д. сложились в 70--80 годы двадцатого века, когда КС находилась на втором этапе жизненного цикла. Поэтому вся существующая на сегодня система технического осмотра (ТО) может справляться лишь с тем, для чего предназначена: мелкие регулировки, смазка, правка, замена отказавших элементов. Исключение составляет только смена КП по износу.

Мирового опыта эксплуатации КС с такими темпами старения нет. Невиданные в мире темпы электрификации в нашей стране основных магистралей пришлись на 50-е годы и период нормальной работы КС прошел.

Надежность устройств КС, как и любого технического устройства, формируется на трех этапах: проектирование; изготовление и монтаж; эксплуатация.

На этапе эксплуатации повышение надежности технических устройств КС может быть достигнуто повышением технического уровня ремонтной базы, внедрением диагностики, средств сбора и обработки информации, применением более эффективных методов технического обслуживания, улучшением профессиональной подготовки кадров, занятых эксплуатацией и ремонтом и т. д.

Одним из показателей надежности является интенсивность отказов. Классическая кривая изменения интенсивности отказов в функции наработки (рис. 1.2) имеет три участка, соответствующих периодам приработки, нормальной работы и деградации.



Рисунок 1.2 - Классическая кривая интенсивности отказов

В период приработки отказ может произойти из-за нагрузок, превышающих расчетные (нормативные) значения, или из-за снижения прочности. Темпы электрификации новых линий (за последние 15 лет -- 1 488 км) не превышали в среднем 100 км в год. Наиболее интенсивный период электрификации был в 1997--1999 гг. (в среднем 168,6 км). Таким образом, вероятность увеличения отказов КС по причине ввода новых линий чрезвычайно мала. Таких темпов было достаточно для электрификации стратегических направлений с целью ускоренного перевода грузооборота на электрическую тягу (грузооборот на электрической тяге вырос по сравнению с 1991 г. в 1,5 раза) и снижения себестоимости перевозок.

Надежность объекта на втором участке, соответствующем нормальной работе, когда выявлены и устранены все дефекты, определяется внезапными отказами, вызванными превышениями нагрузок над прочностью. Например, устройства контактных сетей электрических железных дорог должны выдерживать климатические воздействия с повторяемостью один раз в десять лет. Таким образом, уже на стадии проектирования заложена возможность возникновения отказов. Другой причиной внезапных отказов являются аварийные нагрузки. По общесетевым данным 10--12 % повреждений КС происходят из-за экстремальных метеоусловий. Одним из сильных влияющих метеорологических факторов является низкая температура и гололед. Необходимы методы расчетов, которые бы позволяли прогнозировать поведение КС в тяжелых метеоусловиях с учетом ее текущего состояния и степени износа и разрегулировки узлов и деталей.

На третьем участке кривой интенсивности начинают сказываться постепенные отказы, вызванные деградационными процессами (износом, старением, разрегулировками). Именно здесь техническое обслуживание, направленное на восстановление свойств и рабочих характеристик объектов позволит снизить и даже стабилизировать интенсивность отказов, в идеальном случае, на уровне интенсивности периода нормальной работы. Среднее время наступления третьего этапа можно ориентировочно оценить в 35-40 лет. Следовательно, КС на значительной части полигона вступила в период старения и износа: на третий, заключительный этап жизненного цикла. После выхода КС на третий этап существования система ТО не справляется с ситуацией. Не дают заметной отдачи вложения в разработку средств диагностирования. Удельная повреждаемость на КС, прослужившей 40 и более лет, в 2,7 раза выше, чем на участках со сроком службы 10 лет.

Достаточных средств в капитальный ремонт и замену основных устройств КС железные дороги выделить не могут. Анализ динамики замены основных устройств КС (рис. 1.3) показывает, что средние значения и среднеквадратичные отклонения (показанные в скобках) за последние 10 лет были следующие: контактный провод -- 219 км, (68 км); несущий трос -- 117 км, (40 км); высоковольтных изоляторов -- 53 тыс. шт. (10 тыс. шт.); опор -- 2322 шт., (696 шт.). В тоже время на сегодня из общей развернутой длины КС 27 076 км, в том числе на переменном токе 13 481 км, в эксплуатации находятся больше 40 лет 12 617 км (46,6 %), а из общего количества опор (373 258 шт.) находятся в эксплуатации с превышением нормативных сроков 95 554 шт. Из них обследованием выявлено 1805 шт. опор, которые опасны для эксплуатации. Таким образом, существующие темпы замены основных устройств КС не соизмеримы с темпами ее старения и начиная с 2010 г. могут вызвать лавинообразный рост отказов.



Рисунок 1.3 - Гистограмма числа повреждений КС

В период роста грузооборота (2001, 2007 гг.) наблюдается рост повреждаемости, особенно на электрифицированных участках с большим сроком службы. К слову, сегодня сеть железных дорог полузагружена и работает на 1/3 своих возможностей, а в 2010 г. неизбежны высокие темпы роста экономики и резкое увеличение грузопотока на электрической тяге. Рост количества отказов может сорвать необходимые темпы перевозок. Главные причины отказов в работе устройств контактной сети: низкое качество обслуживания, механические повреждения, обрывы, разрегулировка, пережоги проводов и тросов, перекрытие изоляции, старение и износ.

Анализ количества повреждений по всем узлам КС за предыдущие 10 лет показывает, что наиболее часто отказывают контактные провода и тросы, изоляторы, струны, зажимы и детали (рис. 1.4).



Рисунок 1.4 - Динамика отказов наиболее повреждаемых устройств

2. Разработка устройств в диагностических аппаратах

2.1 Контролируемые параметры силовых цепей и методы их диагностики

Основные параметры силовых цепей, подвергаемые диагностике аппаратными средствами, следующие:

1) характеристика изоляции - прочность на пробой при воздействии высоких напряжений;

2) сопротивление изоляции;

3) сопротивление замкнутых цепей (контактов) в коммутационных аппаратах (контакторах, разъединителях, автоматических выключателях);

4) параметры срабатывания защитной аппаратуры при коротких замыканиях и перегрузках по току (кратность тока и скорость);

5) работоспособность вентилей, определяемая по сопротивлению перехода в прямом и обратном включении - обрыв, пробой;

6) отсутствие обрыва силовых проводов или обмоток трансформаторов, дросселей, электрических двигателей - по сопротивлению проводника между контролируемыми точками.

Диагностические аппараты строятся по принципу упрощения процедуры проверки параметров, т. е. имеют заданный алгоритм работы (измерения). При подключении такого аппарата к набору контрольных точек все возможные неисправности выявляются путем загорания или отсутствия свечения контрольных индикаторных ламп.

Сочетание в каждой конкретной схеме узлов измерения тех или иных параметров позволяет провести полную диагностику цепи.

Необходимость дальнейшего совершенствования диагностической аппаратуры диктуется широким распространением на электроподвижном составе полупроводниковых преобразователей и других электронных устройств. На поиск неисправного оборудования, например, таких преобразователей, уходит до 90% времени, затрачиваемого на техническое обслуживание.

Чтобы ускорить поиск поврежденных силовых полупроводников без разбора схем, разработаны и внедрены различные диагностические установки [6, 15, 24]. Так, на пункте технического обслуживания Балезино Горьковской дороги, создан прибор, датчиком которого является трансформатор тока. Первичной обмоткой трансформатора служит цепь проверяемого силового вентиля, по которой пропускают небольшой ток (1 А), а во вторичную обмотку включен измерительный прибор. По различным показаниям измерительного прибора можно оценить состояние вентиля. Эти показания соответствуют: 0 -- обрыву (выгоранию структуры вентиля); 0,5 -- исправному состоянию; 1-- короткому замыканию.

Разработаны и другие диагностические установки, позволяющие сократить время обнаружения неисправностей в конкретных узлах, содержащих полупроводниковые приборы. Таким примером может служить диагностический прибор, предназначенный для проверки работоспособности регулятора возбуждения тяговых двигателей перспективного электропоезда ЭР31.

Прибором осуществляют комплексные измерения на различных участках проверяемой схемы. Для этого в тиристорном регуляторе возбуждения предусматривают набор контрольных точек, к которым подключают прибор.

В соответствии с разработанной последовательностью поиска неисправных элементов даны порядок операций подсоединения к контрольным точкам, а также признаки исправного и неисправного состояний. Каждому состоянию соответствует определенная световая индикация -- загорание определенных ламп прибора.

Возможные причины отказа отражены в специально разрабонной таблице, прилагаемой к диагностическому прибору. Прибор позволяет диагностировать регулятор возбуждения, не демонтируя его, как в статическом режиме, так и в динамическом (режим коммутации силовых тиристоров).

Такой подход прост, но узок в использовании.

Более высоким уровнем диагностики является комплексная проверка работоспособности полупроводниковых преобразователей и систем управления для электровоза в целом.

При этом технология поиска неисправностей и прогнозирования отказов может основываться только на применении ЭВМ. Для успешного использования так называемого управляющего вычислительного комплекса (УВК) предварительно необходимо обеспечить возможность подключения УВК к контрольным точкам и создать достаточно простые методы и алгоритмы диагностики, а также их программное обеспечение на ЭВМ.

Система с таким уровнем диагностики разработана и внедрена в депо Боготол Красноярской дороги. Она предназначена для проверки блока управления выпрямительно-инверторного преобразователя (БУВИП) электровоза ВЛ80р.

Широкое применение диагностических комплексов позволит сопоставить результаты предыдущих измерений параметров локомотива, хранимых в памяти ЭВМ, и последующих диагностических измерений как для механических узлов электроподвижного состава, так для электрических и электронных аппаратов и установок. Тем самым создается возможность рассчитать остаточные ресурсы всех частей электровоза при каждом диагностировании и определить динамику их изменений. В будущем это позволит перейти от планово-предупредительного к планово-выборочному ремонту в зависимости от индивидуальной потребности в ремонте или замене изношенных узлов и деталей каждого эксплуатируемого локомотива.

Диагностические установки являются эффективным средством безразборного контроля за текущим состоянием и такого ответственного узла подвижного состава, как колесно-моторный блок, в состав которого входят тяговый двигатель, редуктор и их подшипники.

Основное требование, предъявляемое к диагностическому устройству,-- точность измерений, которая может быть достигнута только с применением современной техники. Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) позволяют значительно сократить время, затрачиваемое на обработку диагностической информации, выработать конкретные рекомендации на неплановую разборку того или иного колесно-моторного блока.

Современные системы диагностирования оказывают существенную помощь при выполнении контроля технического состояния тяговых двигателей.

Так, техническое состояние коллекторно-щеточного узла тягового двигателя при испытании на стенде оценивают визуально по степени искрения под сбегающим краем щетки в баллах согласно ГОСТ 183--74. Однако этот критерий субъективен и не всегда отражает подлинную картину. Специальный диагностический прибор может регистрировать электромагнитное излучение пары «щетка -- коллектор» в широком диапазоне волн. При использовании прибора диагностика электродвигателей выполняется в режиме малых нагрузок (менее 1% его номинальной мощности). Это дает возможность совмещать операции контроля состояния коллекторно-щеточного узла, якорных подшипников и тягового редуктора.

Каждой неисправности соответствует своя частота. При наличии нескольких неисправностей различных узлов колесно-моторного блока выделить одну из них без использования ЭВМ становится трудно.

С помощью ЭВМ оказывается возможным не только выделить тот или иной вид дефекта, но и определить остаточный ресурс (т. е. путь в километрах, который еще может пройти локомотив до ремонта) диагностируемого колесно-моторного блока.

Рассмотрим методы диагностики каждого из приведенных шести параметров.

Автоматические выключатели и аппараты управления подвергаются испытаниям в собранном виде, с установленными на них, при необходимости, дополнительными устройствами, которые могут повлиять на результат испытаний. Перед испытанием производится внешний осмотр, проверка целостности корпусов и изоляции [19].

Измерение сопротивления изоляции производят мегаомметрами на напряжение 1000 В и 2500 В. Измерение сопротивления контактов и контактных соединений внутри аппаратов производится мостами постоянного тока (например Р333), или методом амперметра и милливольтметра. При проведении замеров методом амперметра-вольтметра рабочий ток не должен превышать номинальный ток данного аппарата.

Испытание повышенным напряжением промышленной частоты производят с помощью различных установок, которые состоят из следующих элементов: испытательного трансформатора, регулирующего устройства, контрольно-измерительной и защитной аппаратуры. К таким аппаратам можно отнести установку АИИ -- 70, АИД -- 70, а также различные высоковольтные испытательные трансформаторы, которые обладают достаточным уровнем защиты и надлежащим уровнем подготовлены для проведения испытаний.

Более подробно остановимся на выборе схем измерений для диагностических аппаратов.

2.2 Принцип действия, описание методики испытаний и схем диагностических устройств силовых цепей

Проверка состояния изоляции включает в себя измерение сопротивления изоляции и испытание ее электрической прочности [19]. Перед проверкой все аппараты, зажимные сборки и другие детали очищают от пыли и грязи. В случае необходимости производят сушку отсыревших деталей и проводки.

Измерение сопротивления изоляции жил контрольных кабелей, проводов, обмоток и контактов реле производится по отношению к «земле» и между несвязанными цепями с помощью мегомметра 1 000--2 500 В.

Перед измерением сопротивления изоляции мегомметр проверяют. При закороченных проводах и вращении рукоятки мегомметра он должен показывать «нуль», а при разомкнутых -- (бесконечность).

При проверке сопротивления изоляции относительно земли провод, присоединяемый к «земле», подключают к зажиму мегомметра, обозначенному словом «земля», буквой «З» или знаком «--», Во время проверки сопротивления изоляции между цепями провода к мегомметру присоединяют произвольно.

Работая с мегомметром, необходимо соблюдать правила техники безопасности. Провода, которые присоединяют к зажимам мегомметра, должны иметь сопротивление изоляции не меньше 100 МОм. Мегомметр и провода должны быть совершенно сухими и чистыми. При работах на открытой подстанции, в сырых помещениях и в сырую погоду мегомметр устанавливается на резиновый коврик, сухую доску и т. п. Провода не должны касаться сырой земли или заземленных металлических конструкций и аппаратов.

Для оценки состояния изоляции отдельных элементов схемы можно использовать следующие средние величины сопротивлений исправной изоляции:

провода и реле на изоляционной панели -- 100 Ом;

провода и реле на металлической панели -- 50 МОм;

кабели длиной до 200--300 м -- 25 МОм;

трансформатор тока, встроенный во втулку, без цепей -- 10--20 МОм;