автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры транспортных электротехнических комплексов

На правах рукописи

САВЕНКОВ Александр Иванович

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЗАЩИТНО-КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ ТРАНСПОРТНЫХ ЗЛПСТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (государственного технического университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Резников Станислав Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Вольский Сергей Иосифович, кандидат технических наук, с.н.С, Ильинский Александр Дмитриевич.

Ведущее предприятие:

«Проектно-конструкторское бюро ЦТ ОАО «Российские железные дороги»» (г. Москва).

» ót^'/i&sL-X 2006 г. в У-/час. ЮР мин. на заседании гга Д212.125.07 в Московском авиационном институте

Зашита состоится <

диссертационного совета Д212.125.07 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, А80,Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, дом 4, ученый Совет МАИ.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан «/»04 2006 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.125.07. К.т.н., доцент

А.Б. Кондратьев

Актуальность темы.

Непрерывный рост потребляемой мощности транспортных электроэнергетических комплексов (ТЭК) сопровождается повышением уровня питающего напряжения. Так например, на российских железных дорогах широко используется контактная сеть постоянного тока с номинальным напряжением 3±1 кВ. В электрооборудовании городского сетевого наземного транспорта, а также перспективных аэрокосмических летательных аппаратов используются уровни первичного питающего постоянного напряжения от 500 до 750 В и выше.

Повышение уровня питающего постоянного напряжения и потребляемой мощности ТЭК, в свою очередь, требует создания надежной и технически совершенной высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры постоянного тока, как правило, с дугогасительными камерами (для рассеивания индуктивной энергии).

В качестве наиболее характерного и универсального примера указанной аппаратуры может быть рассмотрена высоковольтная защитно-коммутационная аппаратура электропоездов постоянного тока, включающая в" себя:

- аварийные быстродействующий выключатель (БВ на токи 250 А, 400 А и выше) и быстродействующий контактор защиты (БКЗ на токи 160 А и 220 А);

- силовые электропневматические контакторы (на токи 250 А и 400 А);

- электромагнитные контакторы для вспомогательных цепей (МК и КО на токи 160 А и 250 А),

- униполярные вилитовые разрядники (Р) для защиты от перенапряжений (с импульсным пробивным напряжением 12,5 кВ и 8 кВ и с импульсной мощностью 36 МВт и 3 МВт);

• плавкие предохранители (ПР) с кварцево-песочным наполнением (на токи 20 А и 32 А);

- безыскровые контакторы силовых реостатных контроллеров, реверсорных и др переключателей.

Перечисленная аппаратура является основой системы обеспечения надежности и пожаробезопасности всего электрооборудования электропоезда. Действительно, при отказе (невыключении), например БВ или ПР во время попытки отключения аварийной цепи (при частичном коротком замыкании, перегрузке или утечке изоляции) единственным средством ликвидации аварии остается автомат защиты сети на питающей подстанции. Однако весьма вероятна опаснейшая ситуация, когда аварийный ток в сумме со всеми сетевыми нагрузками не превышает уровня уставки сетевого автомата защиты, что неминуемо приведет к сильнейшей пожароопасной аварии на электропоезде. В этом случае остается надеяться либо на растянутое во времени отсоединение контактного токоприемника, либо на самопроизвольное перерастание аварии в глухое КЗ и выключение сетевого автомата защиты. К другим опасным ситуациям можно отнести непогашение дуги в дугогасительной камере выключаемого в штатном режиме контактора. При этом, естественно, ток дуги может не превышать тока уставки БВ или БКЗ. Эта ситуация чревата пожаром в районе контактора и непредсказуемыми последствиями внештатного невыключения цепи.

Вышеуказанные примеры наглядно демонстрируй!? ^щжнис1ь~ и- постоянную актуальность проблемы повышения эффективности защитно-коммутацирнной ФЯВДЛЮФекА

1 I с

В настоящее время проектированием и разработкой высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры для ТЭК занимаются многие известные организации и фирмы, в частности: ВЭИ (г.Москва), МЭИ (г.Москва), ВНИИЖТ МПС РФ (г.Москва), ВНИИЭ (г.Москва), МИИТ (г.Москва), Secheron (Швейцария), Westinghouse Electric Сотр. (США), Siemens (Германия), Ansaldo Transporti (Италия) и др. Этой проблеме посвящены научные труды известных ученых, таких как Баталов Н.М., Петров Б.П., Мацнев В.Д., Чунихин А.А., Алиевский Б JI., Мустафа Г.М., Ильинский А.Д., Розанов Ю.К., Машуков Е.В., Резников С.Б. И др.

Однако, несмотря на значительное число публикаций и выполненных работ, эффективность высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры транспортных электротехнических комплексов, как на летательных аппаратах с первичной системой электроснабжения постоянного повышенного напряжения, так и на железнодорожном и городском транспорте с высоковольтной контактной сетью, до сих пор не может считаться удовлетворительной. Это связано со сложностью дугогашения в контакторах при больших токах и высоком напряжении, с недостаточным вниманием к проблеме раннего распознавания аварийных ситуаций, отсутствием принципиально новых эффективных решений в схемах защиты и ограничений, а также плохой совместимостью полупроводниковых приборов с сильноточными высоковольтными цепями, особенно при наличии высоковольтных коммутационных импульсов.

В связи с вышеизложенным, теоретическое и экспериментальное исследование существующих и разработка принципиально новых средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры ТЭК, предложение схемотехнических и конструкторских рекомендаций, их практическое апробирование и опытно-промышленное освоение в новых ТЭК является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение и способствующей созданию перспективных ТЭК нового поколения.

Предприятие ЗАО «Спецремонт» ФПО «Новые транспортные технологии» с 1996 года, при участии автора совместно с Московским авиационным институтом (Государственным техническим университетом) проводит работы по модернизации высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры электропоездов постоянного тока. Данная диссертация систематизирует и обобщает результаты проделанной автором работы по вышеуказанной проблеме, проводившейся по заказу Министерства путей сообщения РФ.

Цель диссертационной работы - разработка новых нетрадиционных мер и средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры для транспортных электроэнергосистем постоянного тока.

Исходя из указанной цели, понадобилось решить следующие задачи: - провести анализ проблем коммутации и защиты от аварийных режимов;

получить нетрадиционные рациональные схемотехнические, алгоритмические, диагностические и конструкторские решения для силовых (в особенности тяговых) и электронных цепей, в частности разработать вспомогательные коммутирующие и форсирующие устройства, дугогасительные камеры и устройства ранней диагностики с повышенной эффективностью;

- осуществить их математическое и физическое моделирование - адекватное решаемым задачам;

- провести аналитические, модельные, полунатурные и натурные исследования и испытания;

- предложить рекомендации к проектированию и провести опытно- промышленное освоение в новых перспективных транспортных электротехнических комплексах (ТЭК).

Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы: общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая метод переменных состояний, классический и операторный методы расчета переходных процессов, методы припасовывания, методы гармонических составляющих; общепринятые в теории автоматического регулирования аналитические методы, включая методы обеспечения инвариантности; методы компьютерного моделирования (программно-вычислительного и «квазианалогового»). Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов моделирования подтверждена экспериментальными исследованиями на макетах и опытных образцах, проведенными на испытательных стендах и полигонах, а также путем анализа работы промышленных образцов в условиях эксплуатации.

Научная новизна:

- предложены два принципиально новых способа бездугового расцепления цепей постоянного тока, позволяющих исключить контакторные дугогасительные камеры: а) основанный на ступенчатом рассеивании индуктивной энергии в резистивно-емкостных звеньях (рис. 2.1.2 и 2.1.3); б) на базе активного емкостного делителя постоянного напряжения с плавающими потенциалами (рис. 2.1.7);

- разработан способ поочередного активного форсирования токов размагничивающей и дугогасительной катушек аварийного быстродействующего выключателя (БВ) по сигналу блока ранней диагностики, позволяющий снизить время отключения короткого замыкания и перегрузки, предотвратить пожары и аварии, а также обеспечить реверсивность защиты (при рекуперации энергии) (рис. 2.2.1);

- предложен способ повышения эффективности вытягивания и пространственно- временной стабилизации дуги в дугогасительной камере БВ с помощью вспомогательных внешних шин, включенных в дуговую цепь, а также профилированных деионизационных решеток, что позволяет существенно повысить предельную и снизить критическую (минимальную) коммутационную способность БВ, повысить износостойкость камер и продлить их срок службы (рис. 2.3.9);

- разработаны два способа диагностики утечек тока в изоляции с использованием резонансных контуров в цепи питания от вспомогательного генератора повышенной частоты, позволяющие обеспечить высокую эффективность Диагностирования по чувствительности, быстродействию, термостабильности и помехоустойчивости: а) на базе резонансного срыва амплитуды или частоты при дифференциальном измерении тока; б) на базе высокочастотного зондирования (рис. 2.4.1 и 2.5.1);

- получены упрошенные выражения для приближенной оценки энергии дуги в линейных контакторах и быстродействующих выключателях постоянного тока, позволяющие выявить и проанализировать пути повышения их эффективности [(1), (2), (3) - разд. 1.1.2 и (1) - разд. 1.2.2], а также выражение для энергии дуги в контакторах и 'аварийных быстродействующих выключателях постоянного тока, которое может использоваться как итоговый критерий эффективности дугогашения, отражающий роль основных факторов ((2), (3), (4), (5), (6) в разделе 3.1);

- получена аналитическая зависимость импульсной силы воздействия на демпферный проводящий контур подвижного якоря от параметров импульсного разрядно-емкостного контура, пригодная для использования при проектировании подобных импульсных электромеханических устройств ((7) и (3) в разделе 3.2);

- получены приближенные аналитические зависимости для входных и выходных параметров и внешней характеристики индуктивно-емкостного преобразователя (ИЕП) при выпрямительно-емкостной нагрузке, в частности - в режимах стабилизации выходного или входного тока, позволяющие исследовать широкий класс нелинейных зарядных устройств с ИЕП [(1), (2), (3), (4), (13), (15) в разделе 3.3.1].

- предложены аналитические описания рабочих процессов и основных энергетических характеристик индуктивных и емкостных дозаторов энергии при зарядке емкостного накопителя, позволяющие оптимизировать их параметры при проектировании зарядных устройств с обеспечением сохранения качества питающего напряжения (раздел 3.3.2).

Практическая ценность работы.

Обобщенным практическим результатом является разработка схемотехнических, конструкторских и системно-алгоритмических средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры для транспортных электроэнергосистем постоянного тока. Это позволяет сократить сроки и повысить качество проектирования и создания перспективных транспортных электротехнических комплексов. Реализованы, исследованы и испытаны макетные и опытно-промышленные образцы, созданы испытательные стенды. Устройства внедрены в серийное производство и в учебный процесс.

Более конкретно это заключается в следующем:

1. Произведен сравнительный анализ существующих средств и связанных с ними проблем, позволяющий выбрать и обосновать пути совершенствования известных и создания принципиально новых средств повышения эффективности.

2. Получены (в соавторстве) нетрадиционные рациональные схемотехнические и конструкторские решения в разработках перспективной защитно-коммутационной аппаратуры, а именно:

- две схемы бездугового расцепления, а также устройства разгрузки контакторов, позволяющие освободить мостовые контакторы и быстродействующие контакторы защиты от дугогасительной камеры, существенно увеличив срок службы, снизить громоздкость, повысить надежность и снизить эксплуатационно-ремонтные расходы для всех контакторов; показана конкурентоспособность

полупроводниковых вспомогательных размыкателей в комбинации с электромеханическими контакторами, в частности - разработанного автором, при сравнении с быстродействующим электромеханическим контактором защиты; сравнение результатов аналитического и компьютерного моделирования схем без дугового расцепления показывает достаточную для инженерной практики точность полученных аналитических выражений и возможность их рекомендации для проектирования;

- модернизированы и разработаны заново схемотехнические и конструкторские

средства защиты ТЭК от аварийных режимов, позволяющие предотвратить или существенно ослабить действие коротких замыканий, импульсных перенапряжений, перегрузок и утечек тока в изоляции.

3 Разработаны методики расчетно-аналитического и компьютерного моделирования вторичных источников импульсного питания (ВИИП) с пассивными и активными демпфирующими индуктивно-емкостными преобразователями и дозаторами, позволяющие оптимизировать

массоэнергетические параметры ВИИП при обеспечении сохранения качества питающего напряжения Получены расчетные соотношения, позволяющие проектировать высокоэффективные дифференциальные датчики тока с насыщаемым трансформатором в цепи резонансного контура для систем раннего оповещения об утечке изоляции и прогнозирования аварийных ситуаций

4 Основные из перечисленных технических решений легли в основу 9-ти внедренных изобретений, новизна и положительный эффект которых подтверждены патентами Российской Федерации

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы легли в основу опытного и серийного выпуск и ОКР высоковольтной защитно-коммутационной и диагностической аппаратуры для электротехнических комплексов и узлов отечественных электропоездов постоянного тока.

По состоянию на конец 2005г. для нужд железнодорожно-транспортной техники изготовлено с использованием результатов проведенных в диссертации исследований и серийно выпущено и эксплуатируются на 11 железных дорогах России (на электропоездах серий ЭМ2И, ЭМ2 и ЭМ4 «Спутник» и ЭР2 после КРП в депо «Апрелевка», «Пушкино», «Домодедово», «Москва 2» и «Раменское») (см.п.6 Заключения).

Электротехнические комплексы для железнодорожного транспорта, включающие в себя разработанные диссертантом устройства, полностью прошли квалификационные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ МПС РФ. Межведомственная комиссия указанным разработкам в составе концептуального электропоезда серии ЭМ2И присвоила литеру 0|

Окупаемость серийного выпуска разработанной защитно-коммутационной и диагностической аппаратуры в составе электропоезда серии ЭМ2И при расчете в прогнозных ценах достигается на 3-м году Фактический экономический эффект за счет снижения эксплуатационных расходов составляет 1,31 млн. руб в год. Ожидаемый эффект от внедрения указанной аппаратуры к концу 2006г составит 9,3 млн. руб.

Результаты работы использованы в курсе «Электротехническая совместимость комплексов ЛА», читаемого на кафедре «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (технического университета), входят в состав курсовых и дипломных работ и использованы в материалах учебного пособия с грифом Минобразования РФ (издательство МАИ., 2004г.).

В приложении приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Теоретические положения диссертационной работы апробированы на четырех международных научно-технических симпозиумах и конференциях ("Power Conversion, PCIM-200r/Nuremberg, Germany, 2001, "Power Conversion, PCIM-2002'TNuremberg, Germany, 2002, Международная конференция и выставка «Авиация и космонавтика -2003 и 2005, Москва 2003 и 2005 г, Всемирный электротехнический конгрессВЭЛК-2005 «Электроэнергетика и электротехника XXI века, Москва, 2005г. и в четырех отечественных научно-технических конференциях)

Опытные и серийные образцы разработанных устройств участвовали на международной выставке Trans Russia-2001 (г. Москва, март2001 г.).

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 19 печатных работах, в их числе 9 патентов РФ на изобретение. Их список приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть диссертации содержит /^5 страниц машинописного текста, включая SO рисунков и 4 таблиц. Список литературы включает наименований, в том числе О на иностранных языках. Общий объем

диссертационной работы составляет/-f? страниц.

Во введении определены решаемые научно-технические задачи, обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи диссертации, показаны её научная новизна и практическая ценность результатов, дана информация о структуре, апробации, публикациях и практическому использованию материалов диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ проблем коммутации и защиты от аварийных режимов в транспортном электрооборудовании с питанием от контактной сети постоянного тока

Показана целесообразность модернизации тяговых схем электропоездов постоянного тока с целью максимальной разгрузки контакторов с дугогашением и обеспечения бездугового расцепления некоторых из них.

Получены упрощенные выражения для приближенной оценки энергии дуги, позволяющие выявить и проанализировать пути повышения эффективности контакторов и быстродействующих выключателей постоянного тока (для треугольной и П-образной форм напряжения):

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2

2

>1.

Анализ показал практическую бесполезность применяемого в тяговых схемах для разгрузки контакторов диодио-тиристорного столба, охватывающего цепь двигателя, а также опасность шунтирования диодным столбом мостового контактора.

Показано, что для повышения эффективности аварийных быстродействующих выключателей

применять устройства ранней диагностики утечек том я изоляции или опережающего оповещения о КЗ; обеспечить прямую и обратную развязку с цепями параллельных энергоемких емкостных фильтров (в соседних'секциях); форсировать токи в размагничивающих витках и в дугогасящей катушке; обеспечить ускорение и стабилизацию дугообразования с повышенным напряжением дуги.

Выявлена необходимость компромиссного разрешения противоречия между задачами повышения напряжения дуги и защиты силовых электронно-ключевых узлов в схемах импульсных регуляторов тяговых двигателей и статических понижающих конверторов.

Анализ существующих средств селективной дифференциальной защиты и непрерывного контроля изоляции проявил их существенные недостатки, ограничивающие дальнейшее повышение эффективности БВ: инерционность, вибронеустойчивость, узкий диапазон отклонений измеряемых токов, необходимость отводных (расщепляющих) шунтов с высокой повторяемостью параметров, низкую помехоустойчивость, требующую сложной и инерционной обработки информации и др.

Проведен анализ существующих статических преобразователей с высоковольтным питанием в аспекте их применимости в качестве ВИП для'защитно-коммутационной и контрольной аппаратуры. Показано, что традиционные способы деления высокого напряжения выравнивающими и демпфирующими цепочками сильно ограничивают их применение. Наиболее рациональную схему имеет последовательно-модульный трансформаторный конвертор с пассивным конденсаторным делителем, применяемый фирмой «Siemens» (Германия) и др. Однако и она имеет существенные недостатки: наличие гальванически связанных между собой микросхем, находящихся под различными осциллирующими потенциалами, что снижает надежность и помехостойкость в условиях коммутаций, коронирования и воздействия жестких климатических условий; неустойчивость самовыравнивания напряжений при резкопеременных нагрузках и др.

Анализ существующих средств защиты от сетевых коммутационных высоковольтных импульсов проведен на базе предложенной упрощенной методики оценки зависимости параметров импульсов от свойств БВ и параметров сети, сводящейся к выражениям для амплитуды и длительности импульса:

(БВ) необходимо: шунтировать индуктивные цепи обратными диодами (без охвата якорных цепей);

Ы

Показано, что известные средства защиты от коммутационных и молниевых импульсов (униполярные внлитовые разрядники, входные балластные резисторы в сочетании с активно-индуктивными цепями, Г-образные Ь-С фильтры с шунтирующей варисторной батареей) недостаточно эффективны, в частности, практически неприменимы из-за непомерно большой массы, габаритов и стоимости.

Вторая глава посвящена нетрадиционным схемотехническим и конструктивным решениям в разработках перспективной защитно-коммутационной аппаратуры.

Разработаны три схемы бездугового расцепления, в частности - для высоковольтных цепей тягового электропривода постоянного тока. Первая схема представляет собой диодный столб, один из диодов которого включен последовательно с мостовым контактором, а группа остальных -параллельна ему. Она предназначена для электропоездов с последовательно-параллельным переключением тяговых двигателей. Вторая и третья схемы реализуют принципиально новые способы бездугового расцепления цепей постоянного тока, позволяющие исключить контакторные дугогасительные камеры: а) основанный на ступенчатом рассеивании индуктивной энергии в резистивно-емкостных звеньях (рис.1); б) на базе активного емкостного делителя постоянного напряжения с плавающими потенциалами (рис.2). Разработки позволяют в несколько раз увеличить срок службы контакторов, снизить их громоздкость, повысить надежность и снизить эксплуатационно-ремонтные расходы.

ш,

Рис.1 Схема бездугового расцепления со ступенчатым рассеиванием индуктивной энергии в резистивно-емкостных звеньях

Рис.2 Схема бездугового расцепления на базе активного емкостного делителя постоянного напряжения с плавающими потенциалами

Предложено применение устройств разгрузки контакторов в виде тиристорно-диодных высоковольтных столбов, шунтирующих цепи обмоток возбуждения и якорных, а также разделительных (блокировочных) силовых диодов для защиты от обратных сверхтоков при пробое на корпус (рис.3). Устройства позволяют существенно улучшить перечисленные выше характеристики всех контакторов и аварийного быстродействующего выключателя.

УО„

И-

Кую

а

У018

и-

Рис.З Схема подключения устройства разгрузки контакторов

3

6 II 12

Рис. 4 Активный быстродействующий Рис. 5 Дугогасительная камера выключателя

выключатель постоянного тока постоянного тока с дублирующими и

стабилизаторными шинами.

Разработаны способ и схема (рис.4) для реализации поочередного активного форсирования токов размагничивающей и дугогасительной катушек аварийного быстродействующего выключателя (БВ) по сигналу блока ранней диагностики, позволяющие втрое и более снизить время отключения коротких замыканий и перегрузок, предотвратить пожары и аварии, а также обеспечить ,

реверсивность защиты (при рекуперации энергии). (

Предложены способ и конструктивное решение для повышения эффективности вытягивания и пространственно-временной стабилизации дуги в дугогасительной камере БВ с помощью вспомогательных внешних шин, включенных в дуговую цепь, а также профилированных деионизационных решеток (рис.5). Это позволяет существенно повысить предельную и снизить критическую (минимальную) коммутационную способность БВ, повысить износостойкость камер и продлить их срок службы.

'ЛГ1уОи _Ci.lL

101 Фшг"——г

—ГР кк чТ-

т т

О-

Ян

сс

Рис.б Дифференциальный датчик постоянного тока на базе насыщаемого трансформатора в цепи резонансного контура

Предложены два способа и устройства для реализации диагностики утечек тока в изоляции с использованием резонансных контуров в цепи питания от вспомогательного генератора повышенной частоты, позволяющие обеспечить высокую эффективность диагностирования по чувствительности (1-2%), быстродействию (0,1-ОД мс), термостабильности (в диапазоне температур от -40 до +50 °С) и помехоустойчивости. На рис.б приведена схема порогового дифференциального датчика постоянного тока (ДЦТ) на базе насыщаемого трансформатора в цепи резонансного контура. На рис. 7 показана система непрерывного контроля изоляции, в которой помимо общеизвестного централизованного контроля с помощью дифференциального датчика тока применена система селективного контроля на базе высокочастотного зондирования изоляции с одновременными измерениями токов утечки в центральных и периферийных цепях. Помимо этого предлагается модернизация известного способа непрерывного контроля изоляции путем регулярного поочередного высокоомного заземления питающих проводов через измерительную цепь. Вместо заземления применено «квазизаземление» на вспомогательный защитный провод, добавлены усилительные витки в ДЦТ и применены дополнительные датчики тока выключателей. При этом исключаются следующие недостатки: невозможность использования ДДТ при незаземленности нейтрали; необходимость загрубления

чувствительности системы из-за паразитных емкостей; сведение на нет преимуществ незаземления нейтрали (удвоение прочности изоляции и электробезопасность); отсутствие защиты от невыключения цепей нагрузок (межконтактных утечек тока и т.п.).

Рис. 7 а) Схема группового распределительного щита с устройством отключения (УЗО) и системой непрерывного контроля изоляции (СНКИ) на базе высокочастотного зондирования.

б) Вариант параллельного включения бестрансформаторного СНКИ Разработаны структуры и схемы высоковольтных понижающих конверторов с последовательно-закольцованными нерегулируемыми импульсно-модуляторными ячейками, предназначенные для стабилизированного питания цепей управления защитно-коммутационной и диагностической аппаратуры с исключением высоковольтных «забросов» в низковольтную бортовую сеть и других вспомогательных нужд. При относительно малых мощностях наибольший интерес представляет схема, представления на рис. 8.

По сравнению с известными этажерочно-модульными аналогами (например, фирмы Siemens) схемы позволяют обеспечить надежное и динамически устойчивое самовыравнивание напряжений ячеек, исключить «сквозные сверхтоки» в транзисторных парах и повысить помехозащищенность (благодаря отсутствию централизованного управления).

В качестве инверторов для рассмотренных схем и генераторов повышенной частоты для систем непрерывного контроля изоляции предложен ряд новых схем однотактных и двухтактных инверторов, исключающих «сквозные сверхтоки» и имеющих высокий КПД благодаря наличию демпфирующе-рекуперирующей цепочки. Одна из них показана на рис. 9.

В заключение раздела предложено использование распределенного блока защиты тяговых схем от сетевых высоковольтных коммутационных и молниевых импульсов на базе силового реактора с обратным диодно-тиристорным шунтированием, варисторно-тиристорного столба и фильтрового конденсатора с блокирующим силовым диодом. Помимо самой защиты схема позволяет исключить разрядку конденсатора через аварийную закоротку в соседней секции, исключить индуктивные шунты в цепи возбуждения, снизить энергоемкость конденсатора при исключении псофометрических помех для рельсовых цепей управления путевыми стрелками.

Рис. 8 Комбинированный последовательно-модульный нерегулируемый конвертор с высоковольтным питанием.

Рис.9 Схема мостового нерегулируемого инвертора с рекуперацией энергии ДКЦ в источник

Третья глава посвящена расчетно-аналитическому и компьютерному моделированию -адекватному задачам повышения эффективности рассмотренной аппаратуры.

Предложены расчетно-аналитические, программно-вычислительные, «квазианалоговые» компьютерные модели и методики анализа процессов в рассмотренных устройствах. Такая совокупность моделей позволяет выбирать из них наиболее адекватные задачам исследования и проектирования ТЭК, сокращая сроки моделирования при обеспечении достаточной точности.

Для контакторов и аварийного быстродействующего выключателя выведено выражение для энергии дуги, которое может использоваться как итоговый критерий эффективности дугогашения, отражающий роль трех основных факторов (начального тока отключения Iном, собственного времени

размыкания 1аЛеп, и кратности напряжения дуги К д - у""* > 1 + -Л:

Ад ~ ~ '^гош ''пи '(^д™ + ^и»г»)>

где

1

■атт +

иЯт-2-(иа

т

При глухом КЗ на выходе БВ:

¿^ •II 2Кд-(Кд+1)-(Кд-1)г 2 ' 3-(КД -3,4)2-(Кд + 0,4)'

где

= (Л- +

и,.

К>д-2-Кд-\

Заметим, что последнее выражение для может служить единственным теоретическим обоснованием для приведенного в ГОСТ и проверенного на практике максимального уровня амплитуды коммутационного импульса:£/Дим> £ (1 + -¿2)• ^, = 2,4 -4 = 9,6 кВ. (в ГОСТ до 13 кВ)

Для активного форсирующего устройства БВ получена аналитическая зависимость импульсной силы воздействия на демпферный проводящий контур подвижного якоря от параметров импульсного разрядно-емкостного контура:

Р =

(Ц, -1И -¡2 ^ 11

77 Г Г ( *т г_ (

где N. = 3,М, =1,1. и —-(2-е ии -е );«, »^- (-е 2 г 2т

+ е

Зависимость позволяет сформулировать технические требования к проектированию ~ вторичного импульсноп^источника питания (ВИИП).

Далее получены приближенные аналитические зависимости для входных и выходных параметров и внешней характеристики индуктивно-емкостного преобразователя (ИБП) при индуктивно-емкостной нагрузке (рис. 10а):

кх,+хг-х1х1)1+(1-х,)Г-

где <р = агссоа——

-,ки =

*,-и*.

+(1-*1)2)(*1 + хг +(1-дг,)а-Л*

Ки =0,9+0,98; К, =0,9+0,93 (для 3-х фазной схемы: Ки * 2,12 + 2,17; К, = 1,3 + 1,35);

(1 - ^ • У,-/•(*,+*,-лг,-*,)•/,=-1 ияии\ •(!-*,) + /, = 1

1 ли.

• уравнения внешней характеристики и зарядного процесса.

К, хи От

В работе приведены конечные выражения для токов и напряжений в режимах стабилизации выходного тока (максимум КПД) и входного тока (сохранение качества питающего напряжения). ((13) и (15) в разделе 3.3.1).

Предложены аналитические описания рабочих процессов и основных энергетических характеристик индуктивных (рис. 106) и емкостных (рис. 10в) дозаторов энергии при зарядке емкостного накопителя (раздел 3.3.2). Дозаторы энергии в аспекте сохранения качества питающего

напряжения имеют значительные преимущества перед инверторами и широтно-импульсиыми модуляторами благодаря простоте схемы, отсутствию системы автоматической стабилизации потребляемой мощности и степени использования установленных мощностей его элементов. Сравнение расчетных данных с экспериментальными на физических моделях показало, что ошибка по мгновенным значениям не превышает 5%.

К результатам расчетно-аналитического и физического моделирования ВИИП относятся следующие:

1) реальный диапазон КПД при средней мощности 0.5-2 кВт составляет: для ВИИП с индуктивным дозатором - 0.4-0.6, с емкостным - 0.75-0.85; 2) построение дозаторов по двухтактным схемам позволяет повысить КПД: с индуктивным дозатором - на 10-15%, с емкостным - на 6-8%.

Для рассмотренного ранее порогового дифференциального датчика постоянного тока на базе резонансного срыва получены расчетно-аналитические выражения, позволяющие оценить его метрологические характеристики и оптимизировать его параметры при проектировании защитно-диагностической аппаратуры с повышенной точностью и расширенным амплитудно-частотным диапазоном. Приближенные выражения для входного тока и выходного напряжения в пределах полупериода питания будут:

I.

Рис. 10 Расчетные схемы ВИП а) - с ИБП, б) - с индуктивным дозатором, в) - с емкостным дозатором.

' = + ■е~*1 • 8т(а>„ ■1-р1)-,и = иг+С,-г0-е''"-вт(а>„ I-р.),

Выражения для действующих и максимальных значений токов и напряжений всех элементов приведены в работе (раздел 3.4).

Сравнение результатов аналитического и компьютерного моделирования схем бездугового расцепления показывает достаточную для инженерной практики точность полученных аналитических выражений и возможность их рекомендации для проектирования.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, опыт внедрения и рекомендации по проектированию.

В ЗАО «Спецремонт» ФПО «Новые транспортные технологии» (г.Москва) спроектированы, созданы, испытаны и серийно внедрены (при непосредственном участии диссертанта) опытные образцы следующих изделий: двух типов устройств бездугового расцепления (для мостового контактора и быстродействующего контактора защиты при рекуперации); блоки устройств разгрузки

I-

Рис 11 а

Рис 116

Рис.11 в

Рис. 12. Общий вид быстродействующего выключателя БВП-105ТС со встроенным активным форсирующим устройством

контакторов; активного форсирующего устройства для аварийного быстродействующего выключателя (БВ); модернизированных двухщелевых дугогасительных камер для БВ (типа БВП-105ТС); трех типов блоков ранней диагностики с непрерывным контролем изоляции (на базе

17

резонансного дифференциального датчика тока, с поочередным высокоомным заземлением проводов и с высокочастотным зондированием изоляции).

Предварительные испытания вышеперечисленных устройств проведены на испытательном стенде ВНИИЖТ (г Щербинка). На рис.11 приведены сравнительные осциллограммы токов и напряжений при отключении БВ типа БВП-105ТС: для стандартной дугогасительной камеры и без форсирующего устройства (рис.11а и рис.116 - внизу), с применением форсирующего устройства (рис.116 - вверху) и с модернизированными камерами (рис 11 в). В работе приведены результаты экспериментальных исследований всех вышеперечисленных устройств, показавших удовлетворительную сходимость с модельно-расчетными результатами (с погрешностью 5.. 8%) и справедливость основных теоретических положений.

Устройства серийно выпущены и эксплуатируются на 11 железных дорогах России (на электропоездах серий ЭМ2И, «Спутник» и ЭР2 после КРП).

Рис. 13. Общий вид устройства непрерывного контроля изоляции

На рис. 12 и 13 для примера приведены общие виды двух из перечисленных разработок. Более подробно результаты практической реализации приведены в Заключении и прилагаемых к диссертации актах внедрения.

Заключение.

Конечным результатом исследований является разработка новых нетрадиционных мер и средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры для транспортных электроэнергосистем постоянного тока Для этого понадобилось проанализировать проблемы коммутации и защиты от аварийных режимов, получить нетрадиционные рациональные схемотехнические, алгоритмические, дйагностические и конструкторские решения для силовых (в особенности тяговых) и электронных цепей, в частности - разработать вспомогательные коммутирующие и форсирующие устройства, дугогасительные камеры и устройства ранней диагностики с повышенной эффективностью, осуществить их математическое и физическое

моделирование - адекватное решаемым задачам, провести аналитические, модельные, полунатурные и натурные исследования и испытания, предложить рекомендации к проектированию и провести опытно-промышленное освоение в новых перспективных транспортных электротехнических комплексах (ТЭК).

Основными конкретными результатами являются следующие:

1. Разработанные схемы бездугового расцепления и устройств разгрузки контакторов для высоковольтных силовых цепей (в частности - тяговых) постоянного тока позволяют более чем вдвое увеличить срок службы коммутационной аппаратуры, повысить их надежность и снизить эксплуатационно-ремонтные расходы на 40-50%.

2. Предложенные способы автоматического выключения постоянного тока, схема активного форсирующего устройства для аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя (БВ) с блоком ранней диагностики и схемно-конструкционные способы повышения эффективности дугогасительной камеры позволяют не только втрое и более снизить время отключения короткого замыкания и перегрузки, причем в обоих направлениях питания (например, при рекуперации), а главное - предотвратить пожары и короткие замыкания по сигналу об утечках в изоляции, вдвое и более повысить предельную и снизить критическую (минимальную) коммутационную способность, повысить износостойкость камер и вдвое продлить их срок службы.

3. Разработанные способы диагностики утечек тока в изоляции с использованием резонансных контуров в цепи питания от вспомогательного генератора повышенной частоты (на базе резонансного срыва и на базе высокочастотного зондирования) позволяют обеспечить высокую эффективность диагностирования по чувствительности (1-2%), быстродействию (0.1-0.2 мс), термостабильности (от -40 до +50 °С) и помехоустойчивости. Помимо них предложена модернизация известного способа диагностики утечек тока путем поочередного заземления питающих проводов через высокоомную измерительную цепь, устраняющая существенные недостатки и повышающая надежность.

4. Предложенные структуры и схемы высоковольтных понижающих конверторов с последовательно-закольцованными нерегулируемыми импульсно-модульными ячейками помимо гальванической развязки, необходимой для исключения высоковольтных «забросов» в низковольтную сеть, по сравнения)с известными этажерочно-модульными аналогами позволяют обеспечить надежное и динамически устойчивое самовыравнивание напряжений ячеек, исключить «сквозные сверхтоки» в транзисторных парах и исключить размещение труднонзолируемых и помеховосприимчивых цепей централизованного управления под высокими осциллирующими потенциалами (повысить помехозащищенность). Указанные схемотехнические решения имеют и самостоятельное значение, т.к. могут применяться во многих устройствах с высоковольтным питанием в широком диапазоне мощностей. В качестве инверторов для рассмотренных схем и

генераторов повышенной частоты для схем непрерывного контроля изоляции предложен ряд новых схем однотактных и двухтактных инверторов, исключающих «сквозные сверхтоки» и имеющих высокий КПД.

Предложенные расчетно-аналитические, программно-вычислительные,

«квазианалоговые» компьютерные модели и методики анализа процессов в рассматриваемых устройствах позволяют выбирать из них наиболее адекватные задачам исследования и проектирования ТЭК, сокращая сроки моделирования при обеспечении достаточной точности.

К теоретическим результатам моделирования, рекомендуемым для использования при проектировании и исследовании высоковольтной защитно-коммутационной и диагностической аппаратуры, относятся следующие:

выражения для итогового энергетического критерия эффективности дугогашения при размыкании цепей постоянного тока с незашунтированной индуктивностью, позволяющие объективно оценивать коммутационную способность аварийных выключателей и контакторов, а также выявлять задачи по их модернизации; приближенные выражения для импульсной силы воздействия на размыкающий якорь аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя с активным форсирующим устройством, позволяющие формулировать технические требования к проектированию схемы и механизма размыкания;

методика оптимизации массоэнергетических параметров вторичных источников импульсного питания (ВИИП) с пассивными и активными демпфирующими индуктивно-емкостными преобразователями и дозаторами энергии, обеспечивающими сохранение качества питающего напряжения;

выражения для основных метрологических характеристик порогового дифференциального датчика постоянного тока, предназначенные для использования при проектировании защитно-диагностической аппаратуры с повышенной точностью и расширенным амплитудно-частотным диапазоном;

сравнение результатов аналитического и компьютерного моделирования схем бездугового расцепления показывает достаточную для инженерной практики точность полученных аналитических выражений и возможность их рекомендации для проектирования. Практическая реализация основных теоретических схемотехнических и конструкторских разработок, полунатурные, натурные и стендовые испытания, а также опыт эксплуатации некоторых устройств показали удовлетворительную сходимость модельно-расчетных и экспериментальных результатов (с погрешностью 5 ...8%) и справедливость основных теоретических положений. Опытно-промышленное внедрение подтверждает народнохозяйственное значение работы, а также возможность расширения области использования полученных результатов (например, для подвижных оборонных объектов). В приложении приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

f

6.1. По состоянию на конец 2005г. для нужд железнодорожно-транспортной техники изготовлено с использованием результатов проведенных в диссертации исследований и серийно выпушено и эксплуатируются на 11 железных дорогах России (на электропоездах серий ЭМ2И, ЭМ2 и ЭМ4 «Спутник» и ЭР2 после КРП в депо «Апрелевка», «Пушкино», «Домодедово», «Москва 2» и «Раменское»):

• более 30 шт. модернизированных ду го гасительных камер для аварийных высоковольтных быстродействующих выключателей (БВ-105ТС), приближающихся по основным параметрам к аналогичным камерам известных зарубежных фирм;

• более 100 шт. устройств непрерывного контроля изоляции (СНКИ) для тяговых схем электропоездов постоянного тока, что позволило на порядок снизить число пожароопасных ситуаций;

• более 515 шт. вторичных источников питания для аппаратуры электропоездов постоянного тока, позволивших снизить на 27% эксплуатационные расходы на текущее обслуживание и плановый ремонт, а также существенно улучшить показатели по надежности и стоимости;

• более 30 шт. устройств бездуговой коммутации и схем разгрузки контакторов, увеличивших срок службы коммутационной аппаратуры более чем вдвое.

6.2. Электротехнические комплексы для железнодорожного транспорта, включающие в себя разработанные диссертантом устройства, полностью прошли квалификационные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ МПС РФ. Межведомственная комиссия указанным разработкам в составе концептуального электропоезда серии ЭМ2И присвоила литер 01.

6.3. Окупаемость серийного выпуска разработанной защитно-коммутационной и диагностической аппаратуры в составе электропоезда серии ЭМ2И при расчете в прогнозных ценах достигается на 3-м году. Фактический экономический эффект за счет снижения эксплуатационных расходов составляет 1,31 млн. руб. в год. Ожидаемый эффект от внедрения указанной аппаратуры к концу 2006г. составит 9,3 млн. руб.

6.4. Результаты работы использованы в курсе «Электротехническая совместимость комплексов JIA», читаемого на кафедре «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (технического университета), входят в состав курсовых и дипломных работ и использованы в материалах двух учебных пособий, одно из которых с грифом Минобразования РФ (издательство МАИ.).

6.5. Завершение дальнейших модернизированных разработок высоковольтной защитно-коммутационной и диагностической аппаратуры запланировано на второй квартал 2006г.

Опубликованные работы по теме диссертации.

1. A.c. СССР №141426 от 28.05.79г. Устройство включения приборов спецавтоматики /Савенков А.И., Крюков Л.В., Медведков И.А., Акимов A.A.

2. Савенков А.И., Акимов A.A., Медведков И.А. Комплексированный подход к вопросу построения бортовых релейных коммутационных приборов. Вопросы оборонной техники, Серия 1,1981г., вып.84

3. Патент РФ №2167478 от 20.05.2001 г. Автоматический выключатель постоянного тока / Белащенко М.Д., Ламанов A.B., Савенков А.И., Резников С.Б., Станкевич В.А., Куземин A.A.

4. Патент РФ на полезную модель №24049 от 20.07.2002 г. Дутогасительная камера/Ламанов A.B., Белашенко М.Д., Савенков А.И., Резников С.Б., Павлов В.В., Куземин A.A.

5 Патент РФ №2178928 от 27 01.2002. Выключатель постоянного тока (варианты) / Белашенко М.Д., Ламанов A.B., Савенков А.И., Резников С.Б., Станкевич В.А., Куземин A.A.

6 Резников С.Б., Савенков А.И. Пути повышения эффективности аварийных быстродействующих выключателей постоянного тока в железнодорожных тяговых схемах. Практическая силовая электроника, №12,2003г., с. 20-26

7 Патент РФ на полезную модель № 37293 от 10.04.2004г. Преобразователь постоянного напряжения с конденсаторным делителем / Белащенко M Д., Ламанов A.B., Резников С Б., Савенков А.И.

8 Патент РФ № ... от ... 2004г. Способ автоматического выключения постоянного тока и устройство для его осуществления / Белашенко М.Д., Ламанов A.B., Резников С.Б., Савенков А.И. (по заявке №2003134605/09 от 01.12.03)

9 Патент РФ на полезную модель №37271 от 10.04.2004. Дутогасительная камера выключателя постоянного тока / Белашенко М.Д., Ламанов A.B., Резников С.Б., Савенков А.И.

10. Болдырев В.Г., Бочаров В.В., Булеков В.П., Резников С.Б., Савенков А.И. Дифференциальный датчик постоянного тока в системе защиты от утечек тока и пробоев в изоляции. Сб. докладов VIII Российской научно-технической конференции «ЭМС технических средств и электромагнитная безопасность» ЭМС-2004, г. Санкт-Петербург, сентябрь 2004г.

1) Булеков В.П., Резников С.Б., Савенков А.И. Дизельный тяговый привод с электромашинной генераторно- двигательной трансмиссией. Труда Всемирного электротехнического конгресса ВЭЛК-2005 «Электроэнергетика и электротехника XXI века», Москва, 2005.

12. Булеков В.П., Резников С.Б., Савенков А.И. Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы. Труды 4 международной конференция «Авиация и космонавтика - 2005», Москва, 2005

13. С. Резников, Д. Чуев, П. Бутенко, А. Савенков, С. Кузенный, А. Бекетова. Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы с пассивными демпферно-коммутационными цепочками. Компоненты и технологии, №5,2005г. с......

14. С. Резников, Д. Чуев, А. Савенков. Новая структура универсальной тяговой схемы дизеяь-электропоезда с импульсным регулированием и зашитой от перенапряжений. Силовая электроника, № 3,2005г., с.42-47.

15. С. Резников, Д. Чуев, А. Савенков. Универсальная структура распределенного высоковольтного конвертора для независимого возбуждения транспортно-тяговых

16. С. Резников, Д. Чуев, А. Савенков. ПупГ модернизации автономных транспортных электротехнических комплексов с тяговой электротрансмиссией. Силовая электроника, № 4, 2005г., с. 8-11.

17. Патент РФ на полезную модель №... от ... 2006г. Импульсный модулятор с демпферной цепью /Ламанов A.B., Чуев Д.В., Савенков А.И., Резников С.Б., Кузенный С.С., Бекетова A.A. ( по заявке _).

18. Патент РФ на полезную модель № ... от ... 2006г. Устройство для питания и регулирования скорости электродвигателей постоянного тока. / Ламанов A.B., Чуев Д.В., Савенков А.И., Резников С.Б. (по заявке _)

19. С. Резников, Д. Чуев, А. Савенков, С. Кузенный, А.Бекетова, А.Милославский. Системы

ctf>oa*/) at-еГ

непрерывного контроля изоляции. Компоненты и технологии^» .f, 2005г., с.

Ц§ - 4 9 0 б

Множительный центр МАИ

3«. о1/У./2200Гг. Тир.^экз.

Введение.

Глава 1. Анализ проблем коммутации и защиты от аварийных режимов в транспортном электрооборудовании с питанием от контактной сети постоянного тока.

1.1. Существующие устройства бездугового расцепления и разгрузки контакторов.

1.2. Анализ путей повышения эффективности аварийных быстродействующих выключателей постоянного тока.

1.3. Существующие средства защиты от сетевых коммутационных высоковольтных импульсов

Выводы по главе с учетом приложений (П1, П2, ПЗ) и постановка задач повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры.

Глава 2. Нетрадиционные схемотехнические и конструкторские решения в разработках перспективной защитно-коммутационной аппаратуры электропоездов.

2.1. Разработка схем бездугового расцепления и устройств разгрузки контакторов.

2.2. Разработка аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя постоянного тока с активным форсирующим устройством.

2.3. Разработка дугогасительных камер с повышенной эффективностью.

2.4. Разработка дифференциального датчика постоянного тока на базе насыщаемого трансформатора в цепи резонансного контура.

2.5. Системы непрерывного контроля изоляции.

2.6. Разработка конвертора с высоковольтным питанием для нужд защитно-коммутационной аппаратуры.

2.7. Разработка блока защиты от сетевых высоковольтных импульсов на базе силового реактора, варисторно-тиристорного столба и фильтрового конденсатора с блокирующим диодом.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Расчетно-аналитическое и компьютерное моделирование -адекватное задачам повышения эффективности аппаратуры.

3.1. Расчетно-аналитическое моделирование и итоговый критерий эффективности дугогашения в контакторах и быстродействующих выключателях постоянного тока.

3.2. Расчетно-аналитическое моделирование быстродействующего выключателя с активным форсирующим устройством.

3.3. Моделирование вторичных источников импульсного питания с демпфирующими преобразователями.

3.4. Расчетно-аналитическое моделирование дифференциального датчика постоянного тока.

3.5. Аналитическое и компьютерное моделирование схем бездугового расцепления.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования, опыт внедрения и рекомендации по проектированию.

4.1. Полунатурные испытания форсирующих устройств для быстродействующего выключателя и рекомендации по проектированию.

4.2. Полунатурные испытания дугогасительных камер с повышенной эффективностью и рекомендации по проектированию.

4.3. Стендовые испытания устройств бездугового расцепления и разгрузки контакторов и рекомендации по проектированию.

4.4. Блоки ранней диагностики.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы.

Непрерывный рост потребляемой мощности транспортных электроэнергетических комплексов (ТЭК) сопровождается повышением уровня питающего напряжения. Так например, в электрооборудовании городского сетевого наземного транспорта, а также перспективных аэрокосмических летательных аппаратов используются уровни первичного питающего постоянного напряжения от 500 до 750 В и выше. На российских железных дорогах широко используется контактная сеть постоянного тока с номинальным напряжением 3±1 кВ.

Повышение уровня питающего постоянного напряжения и потребляемой мощности ТЭК, в свою очередь, требует создания надежной и технически совершенной высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры постоянного тока, как правило, с дугогасительными камерами (для рассеивания индуктивной энергии).

В качестве наиболее характерного и универсального примера указанной аппаратуры может быть рассмотрена высоковольтная защитно-коммутационная аппаратура электропоездов постоянного тока, включающая в себя:

- аварийные быстродействующий выключатель (БВ на токи 250 А, 400 А и выше) и быстродействующий контактор защиты (БКЗ на токи 160 А и 220 А);

- силовые электропневматические контакторы (на токи 250 А и 400 А);:

- электромагнитные контакторы для вспомогательных цепей (МК и КО на токи 160 А и 250 А);

- униполярные вилитовые разрядники (Р) для защиты от перенапряжений (с импульсным пробивным напряжением 12,5 кВ и 8 кВ и с импульсной мощностью 36 МВт и 3 МВт);

- плавкие предохранители (ПР) с кварцево-песочным наполнением (на токи 20 А и 32 А);

- безыскровые контакторы силовых реостатных контроллеров, реверсор-ных и др. переключателей.

Перечисленная аппаратура является основой системы обеспечения надежности и пожаробезопасности всего электрооборудования электропоезда. Действительно, при отказе (невыключении), например БВ или ПР во время попытки отключения аварийной цепи (при частичном коротком замыкании, перегрузке или утечке изоляции) единственным средством ликвидации аварии остается автомат защиты сети на питающей подстанции. Однако весьма вероятна опаснейшая ситуация, когда аварийный ток в сумме со всеми сетевыми нагрузками не превышает уровня уставки сетевого автомата защиты, что неминуемо приведет к сильнейшей пожароопасной аварии на электропоезде. В этом случае остается надеяться либо на растянутое во времени отсоединение контактного токоприемника, либо на самопроизвольное перерастание аварии в глухое КЗ и выключение сетевого автомата защиты. К другим опасным ситуациям можно отнести непогашение дуги в дугогасительной камере выключаемого в штатном режиме контактора. При этом, естественно, ток дуги может не превышать тока уставки БВ или БКЗ. Эта ситуация чревата пожаром в районе контактора и непредсказуемыми последствиями внештатного невыключения цепи.

Вышеуказанные примеры наглядно демонстрируют важность и постоянную актуальность проблемы повышения эффективности защитно-коммутационной аппаратуры.

В настоящее время проектированием и разработкой высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры для ТЭК занимаются многие известные организации и фирмы, в частности: ВЭИ (г.Москва), МЭИ (г.Москва), ВНИИЖТ МПС РФ (г.Москва), ВНИИЭ (г.Москва), МИИТ (г.Москва), Secheron (Швейцария), Westinghouse Electric Corp. (США), Siemens (Германия), Ansaldo Transporti (Италия) и др. Этой проблеме посвящены научные труды известных ученых, таких как Баталов Н.М., Петров Б.П., Мацнев В.Д., Чунихин A.A., Алиевский Б.Л., Мустафа Г.М., Ильинский А.Д., Розанов Ю.К., Машуков Е.В., Резников С.Б. и др.

Однако, несмотря на значительное число публикаций и выполненных работ эффективность высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры транспортных электротехнических комплексов, как на летательных аппаратах с первичной системой электроснабжения постоянного повышенного напряжения, так и на железнодорожном и городском транспорте с высоковольтной контактной сетью, до сих пор не может считаться удовлетворительной. Это связано со сложностью дугогашения в контакторах при больших токах и высоком напряжении, с недостаточным вниманием к проблеме раннего распознавания аварийных ситуаций, отсутствием принципиально новых эффективных решений в схемах защиты и ограничений, а также плохой совместимостью полупроводниковых приборов с сильноточными высоковольтными цепями, особенно при наличии высоковольтных коммутационных импульсов.

В связи с вышеизложенным теоретическое и экспериментальное исследование существующих и разработка принципиально новых средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры ТЭК, предложение схемотехнических и конструкторских рекомендаций, их практическое апробирование и опытно-промышленное освоение в новых ТЭК является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и способствующей созданию перспективных ТЭК нового поколения.

Предприятие ЗАО «Спецремонт» ФПО «Новые транспортные технологии» с 1996 года, при участии автора совместно с Московским авиационным институтом (Государственным техническим университетом) проводит работы по модернизации высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры электропоездов постоянного тока. Данная диссертация систематизирует и обобщает результаты проделанной автором работы по вышеуказанной проблеме, проводившейся по заказу Министерства путей сообщения РФ.

Цель диссертационной работы - разработка новых нетрадиционных мер и средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры для транспортных электроэнергосистем постоянного тока.

Исходя из указанной цели, понадобилось решить следующие задачи:

- провести анализ проблем коммутации и защиты от аварийных режимов;

- получить нетрадиционные рациональные схемотехнические, алгоритмические, диагностические и конструкторские решения для силовых (в особенности тяговых) и электронных цепей, в частности разработать вспомогательные коммутирующие и форсирующие устройства, дугогасительные камеры и устройства ранней диагностики с повышенной эффективностью;

- осуществить их математическое и физическое моделирование - адекватное решаемым задачам;

- провести аналитические, модельные, полунатурные и натурные исследования и испытания;

- предложить рекомендации к проектированию и провести опытно- промышленное освоение в новых перспективных транспортных электротехнических комплексах (ТЭК).

Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы: общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая метод переменных состояний, классический и операторный методы расчета переходных процессов, методы припасовывания, методы гармонических составляющих; общепринятые в теории автоматического регулирования аналитические методы, включая методы обеспечения инвариантности; методы компьютерного моделирования (программно-вычислительного и «квазианалогового»). Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов моделирования подтверждена экспериментальными исследованиями на макетах и опытных образцах, проведенными на испытательных стендах и полигонах, а также путем анализа работы промышленных образцов в условиях эксплуатации.

Научная новизна:

- предложены два принципиально новых способа бездугового расцепления цепей постоянного тока, позволяющих исключить контакторные дугогасительные камеры: а) основанный на ступенчатом рассеивании индуктивной энергии в резистивно-емкостных звеньях (рис. 2.1.2 и 2.1.3); б) на базе активного емкостного делителя постоянного напряжения с плавающими потенциалами (рис. 2.1.7);

- разработан способ поочередного активного форсирования токов размагничивающей и дугогасительной катушек аварийного быстродействующего выключателя (БВ) по сигналу блока ранней диагностики, позволяющий снизить время отключения короткого замыкания и перегрузки, предотвратить пожары и аварии, а также обеспечить реверсивность защиты (при рекуперации энергии) (рис. 2.2.1);

- предложен способ повышения эффективности вытягивания и пространственно- временной стабилизации дуги в дугогасительной камере БВ с помощью вспомогательных внешних шин, включенных в дуговую цепь, а также профилированных деионизационных решеток, что позволяет существенно повысить предельную и снизить критическую (минимальную) коммутационную способность БВ, повысить износостойкость камер и продлить их срок службы (рис. 2.3.9);

- разработаны два способа диагностики утечек тока в изоляции с использованием резонансных контуров в цепи питания от вспомогательного генератора повышенной частоты, позволяющие обеспечить высокую эффективность диагностирования по чувствительности, быстродействию, термостабильности и помехоустойчивости: а) на базе резонансного срыва амплитуды или частоты при дифференциальном измерении тока; б) на базе высокочастотного зондирования (рис. 2.4.1 и 2.5.1);

- получены упрощенные выражения для приближенной оценки энергии дуги в линейных контакторах и быстродействующих выключателях постоянного тока, позволяющие выявить и проанализировать пути повышения их эффективности [(1), (2), (3) - разд. 1.1.2 и (1) - разд. 1.2.2], а также выражение для энергии дуги в контакторах и аварийных быстродействующих выключателях постоянного тока, которое может использоваться как итоговый критерий эффективности дугогашения, отражающий роль основных факторов ((2), (3), (4), (5), (6) в разделе 3.1);

- получена аналитическая зависимость импульсной силы воздействия на демпферный проводящий контур подвижного якоря от параметров импульсного разрядно-емкостного контура, пригодная для использования при проектировании подобных импульсных электромеханических устройств ((7) и (3) в разделе 3.2);

- получены приближенные аналитические зависимости для входных и выходных параметров и внешней характеристики индуктивно-емкостного преобразователя (ИБП) при выпрямительно-емкостной нагрузке, в частности - в режимах стабилизации выходного или входного тока, позволяющие исследовать широкий класс нелинейных зарядных устройств с ИБП [(1), (2), (3), (4), (13), (15) в разделе 3.3.1].

- предложены аналитические описания рабочих процессов и основных энергетических характеристик индуктивных и емкостных дозаторов энергии при зарядке емкостного накопителя, позволяющие оптимизировать их параметры при проектировании зарядных устройств с обеспечением сохранения качества питающего напряжения (раздел 3.3.2).

Практическая ценность работы.

Обобщенным практическим результатом является разработка схемотехнических, конструкторских и системно-алгоритмических средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры для транспортных электроэнергосистем постоянного тока. Это позволяет сократить сроки и повысить качество проектирования и создания перспективных транспортных электротехнических комплексов. Реализованы, исследованы и испытаны макетные и опытно-промышленные образцы, созданы испытательные стенды. Устройства внедрены в серийное производство и в учебный процесс.

Более конкретно это заключается в следующем:

1. Произведен сравнительный анализ существующих средств и связанных с ними проблем, позволяющий выбрать и обосновать пути совершенствования известных и создания принципиально новых средств повышения эффективности.

2. Получены (в соавторстве) нетрадиционные рациональные схемотехнические и конструкторские решения в разработках перспективной защитно-коммутационной аппаратуры, а именно:

- две схемы бездугового расцепления, а также устройства разгрузки контакторов, позволяющие освободить мостовые контакторы и быстродействующие контакторы защиты от дугогасительной камеры, существенно увеличив срок службы, снизить громоздкость, повысить надежность и снизить эксплуатационно-ремонтные расходы для всех контакторов; показана конкурентоспособность полупроводниковых вспомогательных размыкателей в комбинации с электромеханическими контакторами, в частности - разработанного автором, при сравнении с быстродействующим электромеханическим контактором защиты;

- модернизированы и разработаны заново следующие схемотехнические и конструкторские средства защиты ТЭК от аварийных режимов, позволяющие предотвратить или существенно ослабить действие коротких замыканий, импульсных перенапряжений, перегрузок и утечек тока в изоляции.

3. Разработаны методики расчетно-аналитического и компьютерного моделирования вторичных источников импульсного питания (ВИИП) с пассивными и активными демпфирующими индуктивно-емкостными преобразователями и дозаторами, позволяющие оптимизировать массоэнергетические параметры ВИИП при обеспечении сохранения качества питающего напряжения. Получены расчетные соотношения, позволяющие проектировать высокоэффективные дифференциальные датчики тока с насыщаемым трансформатором в цепи резонансного контура для систем раннего оповещения об утечке изоляции и прогнозирования аварийных ситуаций.

4. Основные из перечисленных технических решений легли в основу 9-ти внедренных изобретений, новизна и положительный эффект которых подтверждены патентами Российской Федерации.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы легли в основу опытного и серийного выпуск и ОКР высоковольтной защитнокоммутационной и диагностической аппаратуры для электротехнических комплексов и узлов отечественных электропоездов постоянного тока.

По состоянию на конец 2005г. для нужд железнодорожно-транспортной техники изготовлено с использованием результатов проведенных в диссертации исследований и серийно выпущено и эксплуатируются на 11 железных дорогах России (на электропоездах серий ЭМ2И, ЭМ2 и ЭМ4 «Спутник» и ЭР2 после КРП в депо «Апрелевка», «Пушкино», «Домодедово», «Москва 2» и «Рамен-ское») (см.п.6 Заключения).

Электротехнические комплексы для железнодорожного транспорта, включающие в себя разработанные диссертантом устройства, полностью прошли квалификационные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ МПС РФ. Межведомственная комиссия указанным разработкам в составе концептуального электропоезда серии ЭМ2И присвоила литеру Oj.

Окупаемость серийного выпуска разработанной защитно-коммутационной и диагностической аппаратуры в составе электропоезда серии ЭМ2И при расчете в прогнозных ценах достигается на 3-м году. Фактический экономический эффект за счет снижения эксплуатационных расходов составляет 1,31 млн. руб. в год. Ожидаемый эффект от внедрения указанной аппаратуры к концу 2006г. составит 9,3 млн. руб.

Результаты работы использованы в курсе «Электротехническая совместимость комплексов ЛА», читаемого на кафедре «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (технического университета), входят в состав курсовых и дипломных работ и использованы в материалах учебного пособия с грифом Минобразования РФ (издательство МАИ., 2004г.).

В приложении приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Теоретические положения диссертационной работы апробированы на четырех международных научно-технических симпозиумах и конференциях ("Power Conversion, PCIM-2001 "/Nuremberg, Germany, 2001, "Power Conversion, PCIM-2002'7Nuremberg, Germany, 2002, Международная конференция и выставка «Авиация и космонавтика -2003 и 2005, Москва 2003 и 2005 г., Всемирный электротехнический конгрессВЭЛК-2005 «Электроэнергетика и электротехника XXI века, Москва, 2005г. и в четырех отечественных научно-технических конференциях).

Опытные и серийные образцы разработанных устройств участвовали на международной выставке Trans Russia-2001 (г. Москва, март2001 г.).

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 19 печатных работах, в их числе 9 патентов РФ на изобретение. Их список приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть диссертации содержит /Я5 страниц машинописного текста, включая ¿О рисунков и J. таблиц. Список литературы включает ZS" наименований, в том числе О на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет/^? страниц.

6.4. Результаты работы использованы в курсе «Электротехническая совместимость комплексов J1A», читаемого на кафедре «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (технического университета), входят в состав курсовых и дипломных работ и использованы в материалах двух учебных пособий, одно из которых с грифом Минобразования РФ (издательство МАИ.).

Завершение дальнейших модернизированных разработок высоковольтной защитно-коммутационной и диагностической аппаратуры запланировано на второй квартал 2006г.

Заключение

В заключение анализа следует констатировать, что в стандартной двухще-левой камере, изготовленной из ацеида, применена только защитная дугогаси-тельная решетка, практически не участвующая в процессе дугогашения.

Следует также указать ещё на одно очень важное обстоятельство: относительно слабое магнитное дутьё приводит к малой скорости вытягивания дуги. Это, в свою очередь, вызывает сильную ионизацию межконтактного промежутка и прилежащего к нему пространства, что провоцирует повторные пробои и всплески тока.