Защита силовых цепей тягового привода

 

Нарушение изоляции и возникновение в связи с этим короткого замыкания, а также недопустимая перегрузка в цепи вызывают очень большой ток, который может привести к серьезным повреждениям оборудования. Токи короткого замыкания настолько велики, что могут сгореть или разрушиться даже самые толстые провода, шины и другие токоведущие части. Возникающие при коротком замыкании механические силы взаимодействия между проводниками с током разрушают изоляторы и другие детали электротехнических установок. Поэтому все электрические цепи, как правило, тем или иным способом защищают от токов короткого замыкания и перегрузок.

Простейшие защитные аппараты - плавкие предохранители - включают последовательно с защищаемой цепью; плавкая вставка перегорает при токах, превышающих допустимые, так как имеет площадь сечения, меньшую, чем любой проводник в защищаемой цепи.

Защитить плавким предохранителем силовую цепь вагона, рассчитанную на большие токи, невозможно. При коротком замыкании ток растет очень быстро, а плавкая вставка сгорает не сразу. Она обладает так называемой тепловой инерцией. При очень большом токе и высоком напряжении даже после того, как плавкая вставка сгорит, между зажимами, где она была включена, может возникнуть электрическая дуга.

Следовательно, нужен такой защитный аппарат, который при коротких замыканиях или перегрузках был бы в состоянии в минимальное время разрывать защищаемую цепь и быстро гасить электрическую дугу.

Основными аварийными режимами тягового привода вагона 81-760, являются:

• Срыв в работе регуляторов тока и напряжения
• Короткое замыкание на корпус одной из точек силовой цепи из-за нарушения и пробоя изоляции
• Выход из строя транзистора силового инвертора

Во всех случаях в силовых цепях привода могут возникать аварийные сверхтоки, приводящие к повреждению электрооборудования. В качестве основного аппарата защиты в тяговом приводе используется выключатель быстродействующий (ВБ) с уставкой максимальной токовой защиты 1500а.

 

 

Быстродействующий выключатель защищает силовые цепи вагонов от коротких замыканий и токов перегрузок. Он прерывает ток короткого замыкания до того, как тот достигнет максимального установившегося значения.

ВБ ограничивает ток короткого замыкания на уровне тока установки аппарата.

Основное требование, предъявляемое к быстродействующему выключателю, - как можно быстрее прекратить нарастание тока короткого замыкания и обеспечить полный разрыв защищаемой цепи без повреждения каких-либо ее элементов.

Кроме ВБ, тяговый привод вагона содержит устройства электронной защиты:

· Защита от перегрузки по току в сети питания

· Защита от перенапряжения в контактной сети

· Защита от перегрузки инвертора по выходному току

· Защита от замыкания силовых цепей на землю

· Защита от перегрева инвертора и тормозного реостата

 

Электронная защита предотвращает развития аварийных токов и напряжений в промежуточных положениях, т.е. когда контролируемые параметры превосходят рабочие значения, но еще не достигли уставок ВБ.

При срабатывании любой из защит БУТП-2 выключает силовой инвертор.

При перенапряжении в контактной сети первый уровень электронной защиты в любом режиме работы привода включает чоппер тормозного резистора, если рост напряжения не прекращается, то второй уровень электронной защиты принудительно выключает ВБ по цепи управления.

Дифференциальная защита работает только в режиме тяги и также сопровождается принудительным выключением ВБ.

Если ВБ сработает 3 раза в течение 5 минут, то тяговый привод считается неисправным, при этом блок управления запрещает дальнейшие включения привода. Его включение можно осуществить только снятием и повторной подачей питания 80в на контейнер тягового инвертора.

Защита от перегрева инвертора включается, когда температура на радиаторе охлаждения модуля силового инвертора превысит 85°С. Выключение этого вида защиты происходит при понижении температуры до 70°С.

Защита от перегрева тормозного реостата включается при поступлении с блока питания вентилятора БПВ в БУТП-2 сигнала о неисправности вентилятора охлаждения тормозного реостата, при этом блок управления запрещает режим электрического торможения тяговым приводом. Если срабатывание этого вида защиты произойдет 12 раз в течение 5 минут, то тяговый привод считается неисправным. При этом блок управления запрещает дальнейшие включения привода. Его включение можно осуществить только снятием и повторной подачей питания 80в на контейнер тягового инвертора.

При срабатывании любого вида электронной защиты информация об ее срабатывании запоминается. По истечении времени 4 сек. БУТП-2 автоматически сбрасывает систему электронной защиты и переводит привод в текущий рабочий режим, в том числе включая ВБ.

 

Защита от боксования и юза

 

Сцепление колеса с рельсом тем сильнее, чем больше сила веса (П) с которой колесная пара давит на рельс. Сцепление необходимое для реализации силы тяги, может быть получено лишь при условии, что некоторая доля веса, приходящая на колесную пару, больше развиваемой силы тяги (Fт). Эта зависимость выражается неравенством Fт< ПY,где Y-коэффициент сцепления. Если величина силы тяги превысит произведение ПY, то сцепление нарушится, колесо начинает проскальзывать по отношению рельса. При этом сила сцепления резко уменьшается. Колесо как бы лишается упора в рельс и начинает вращаться все быстрее. Это явление называется боксованием.

Коэффициент сцепления зависит от многих факторов:

• Состояния поверхности рельс
• Радиуса закругления и возвышения рельсов в кривых участках пути
• Проката бандажей, разницы в диаметре бандажей одной колесной пары, разбега колесных пар и т.д.

Боксование - явление довольно опасное. Оно приводит к уменьшению силы тяги, торможения и, как правило, к увеличению длины тормозных путей. Сильное боксование может вызвать механическое или электрическое повреждение деталей вагона. Увеличивающая скорость вращения якоря двигателя может превысить допустимую величину, предусмотренную при создании электрической машины, что чревато серьезными повреждениями. Проскальзывание колес приводит к быстрому износу колес и рельсов. Не менее серьезные последствия вызывает электрические повреждения, возникающие в следствии повышения напряжения на коллекторе двигателя (вагоны серии 81-714,717; Еж-3), связанного с боксующей колесной парой, что при некоторой величине этого напряжения приведет к появлению небольших искр на поверхности коллектора, которые могут перейти в сплошную электрическую дугу (круговой огонь), которая при определенных условиях (загрязненные изоляторы кронштейнов щеткодержателей, влажность воздуха) быстро перебрасывается на корпус двигателя, что приводит к серьезным повреждениям.

Следует отметить, что не всегда искрение, возникшее на поверхности коллектора, переходит в круговой огонь. При незначительном превышении нормального числа оборотов боксование может продолжаться довольно долго, не вызывая серьезных последствий. Для прекращения возникшего боксования следует уменьшить величину тока двигателей.

На вагонах 81/760 для этой цели работает устройство защиты от боксования и юза, которая разбита на три этапа:

• Своевременное выявление процесса буксования или юза
• Быстрое вмешательство в процесс регулирования с целью снижения задания силы тяги и частоты вращения колесной пары путем уменьшения токов двигателей без изменения режима работы привода
• Восстановление тяги (торможения) после прекращения боксования (юза) с более медленным темпом нарастания тока тягового двигателя до заданного значения

 

Для быстрого выявления склонности колесной пары к буксованию нужно знать частоту вращения колесной пары и линейную скорость вагона.

Тогда на основании сравнения частот вращения каждой колесной пары с линейной скоростью вагона можно определить моменты начала и окончания процессов буксования или юза. В БУТП-2 линейная скорость вагона определяется с помощью математического моделирования.

Исходной информацией для вычисления линейной скорости вагона являются сигналы частоты вращения роторов 4-х тяговых двигателей вагона.

При выходе скорости колесной пары за допустимые линейной скоростью пределы формируется сигнал защиты, который является командой на автоматическое снижение уставки задания тока привода.

После прекращения боксования или юза система защиты с более медленным темпом восстанавливает заданное значение тяговой или тормозной уставки тока.