Разработка средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры транспортных электротехнических комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Савенков, Александр Иванович

• Савенков, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Савенков, Александр Иванович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка средств повышения эффективности высоковольтной защитно-коммутационной аппаратуры транспортных электротехнических комплексов»

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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Савенков, Александр Иванович

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.