CC BY
29
Електротранспорт
УДК 629.4.054.1-92
0.0. Маренич
ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ КІЛ ОПАЛЕННЯ ЕЛЕКТРОВОЗІВ ЧС4 ТА ЧС8
Визначено струми плавлення силових контактів для контакторів 78Р1 та 18УЛБ8 у колі опалення електровозів ЧС4 та ЧС8. Показано, що в експлуатації можливі випадки, коли струми КЗ значно перевищують струми плавлення. При цьому до спрацьовування захисту через контакти вказаних контакторів проходить струм КЗ протягом часу, який достатній для їх плавлення, внаслідок недостатнього струму термічної стійкості. Розроблені рекомендації щодо значення струму термічної стійкості для апаратів у колах опалення.
Определены токи плавления силовых контактов для контакторов 78Р1и 18УЛБ8 в цепи отопления электровозов ЧС4 и ЧС8. Показано, что в эксплуатации возможны случаи, когда токи КЗ значительно превышают токи плавления. При этом до срабатывания защиты через контакты указанных контакторов проходит ток КЗ на протяжении времени, достаточного для их плавления, вследствие недостаточного тока термической устойчивости. Разработа-нырекомендации для значения тока термической устойчивости аппаратов в цепях отопления.
ВСТУП
Досвід свідчить, що при виникненні короткого замикання (КЗ) у колі опалення пасажирських вагонів, яке живиться від спеціальної обмотки (обмотки опалення) тягового трансформатора електровозів ЧС4 та ЧС8, незважаючи на те, що захист спрацьовує в установленому порядку, виникають суттєві пошкодження електрообладнання, а в окремих випадках виникає пожежа у камерах, де розміщені контактори 78РІ (електровоз ЧС4) та І8УЛБ8 (електровоз ЧС8), які оперативно комутують струм у вказаному колі. Основною причиною пошкоджень електрообладнання є плавлення силових контактів вказаних контакторів при КЗ у колі опалення. Тому виникає необхідність дослідити причини, що викликають плавлення цих контактів.
ОСНОВНІ СПІВВІДНОШЕННЯ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНКІВ Розглянемо умови роботи контактів контактора І8УЛ08, які є поверхневими та мають срібні накладки [І]. В залежності від матеріалу контактів можна визначити найбільший струм Ід, який не викликає їх пластичної деформації [2]:
АПр
І
Д
*0,56-
гкн
(1)
гКк
Рг п'аЗМ
(2)
де рт - питомии електричнии опір матеріалів контактів при номінальному режимі, Ом-см; <ззм - питомий опір матеріалів контактів зминанню; с - кількість контактних точок; ¥К - сила натиснення у контактах, Н (^ =90 Н [І]).
Питомий електричний опір матеріалів контактів при номінальному режимі (коли допустиме перевищення температури контактів при температурі навколишнього повітря 40° С згідно ДСТУ 2773-94 не перевищує 80° С) дорівнює:
Рг = Po(І+aoл■■T),
де р0 - питомий опір при 0° С, Ом-см; аоп - температурний коефіцієнт матеріалу, І / градТ03; Т = 40°С + 80°С = І20°С - температура контактів. Згідно [3]: р0.с.= І,5 мкОм-см = І,5-І0-6 Ом-см;
аоп = 4--------І—-; рт = І,5І0-6(І + 0,48) = 2,22 Ом-см;
град-І0
для поверхневих контактів с = 3; Сзм.с = 303-І02 Н-см2.
ІД И 0,56
2,22 -10_6 я- 303 • 102
90 • 3 0,09
= 20,8 -10_6 Ом;
20,8 -10
-6
= 2423 А.
Номінальний струм контактора І8УЛ08 дорівнює ІКном = 550 А [І].
Коефіцієнт експлуатаційного запасу комутуючих контактів
К3ек
І
д
2423
550
= 4,4 .
де АПр - спад напруги у контакті який відповідає розм’якшенню матеріалу. Для срібла: АПрс = 0,09 В [2].
Перехідний опір при номінальному режимі тКном згідно [3]:
К3ек = 4,4 > К3 = 3, що рекомендується для тягових електроапаратів [2]. Можна зробити висновок, що номінальний струм в обмотці опалення І3ном = 49І,8 А < Ід = = 2423 А не викличе ніяких пластичних деформацій головних контактів контактора І 8УЛ08.
Струм плавлення [3]:
АПпл .
1ПЛ - 0,58 •
гКп
(3)
уномпл
де АПпл - спад напруги, який відповідає плавленню матеріалу; гКномпл - перехідний опір контактів на початку плавлення, Ом. Для срібла: АПпл.с = 0,37 [І]. Температура плавлення для срібла Тпл = 960°С [3].
На початку плавлення:
4•960'
рт = 1,5 -10_6|1 +
І 1000
= 7,26 -10_6 Ом-см
7,26 -10_6 Іп- 303 -102
2 V 90•3 0,58 • 0,37
= 68,1-10_6 Ом;
1пл -■
68,1-10
-6
=3151 А.
2
Значення амплітуд І3т струму КЗ у колі опалення в момент часу, коли а0 - фК » я/2 дорівнюють [4]:
І3т = 398І,9 Л (при ПІ = І9 кВ);
І3т = 5239,8 Л (при Пі = 25 кВ);
І3т = 6078,7 Л (при ПІ = 29 кВ),
де ПІ - мінімальна, номінальна та максимальна напруги на первинній обмотці тягового трансформатора (напруга контактної мережі); а0 - фазовий кут ПІ у перший момент КЗ; фК - кут відставання струму КЗ від ПІ.
Видно, що при всіх значеннях ПІ відповідне І3т більше струму Іпл = 3І5І А. Тобто значна ймовірність плавлення, а потім і зварювання контактів. Якщо КЗ відбулось в момент часу, коли а0 - фК » 0:
І3т = 3432,5 Л (при ПІ = 29 кВ);
І3т = 2959 Л (при ПІ = 25 кВ);
І3т = 2249 Л (при ПІ = І9 кВ).
Тобто при ПІ = 29 кВ І3т = 3432,5 Л > Іпл = 3І5І А, що може привести до плавлення контактів.
Таким чином, факт плавлення контактів контактора у колі опалення в значній мірі визначається значенням кута (а0 - фК) у першу мить КЗ (ґ = 0).
При роботі тягових апаратів пластичні деформації контактів та їх зварювання можливі й у випадку струмів, менших Іпл. Крім струмових навантажень, на апарати можуть діяти і інші збурення або їх комбінації. Наприклад, під впливом динамічних збурень може імпульсно змінюватися і особливо зменшуватися натиснення контактів, що викличе збільшення контактного опору і спаду напруги у контактному з’єднанні. Хоча ці й інші подібні збурення і короткочасні, але вони можуть бути достатніми для появи деформацій контактних поверхонь.
За аналогічною методикою визначимо струми Ід та Іпл для контактів контактора 78РІ. Найбільший струм Ід, який не викликає пластичної деформації контактів:
Ід а 0,56,
Г^ном
де АПРМ = 0,І2 В - спад напруги у контакті мідь-мідь [2].
Відмітимо, що у контактора 78РІ контакти лінійні із міді (кадмієвої):
Ром = 2,І5-І0~6 Ом-см; ст3Мм = 505-І02 Н/см2; с = 2 (для лінійного контакту) [3];
аОП М = 2,6“
І
рт = 2,І5-І0_6| І +
град-І0 2,6 -І20
З
І000
= 2,82 Ом-см;
¥к = 90 Н [5];
,-6
гкк
2,82 • І0 2
П'505'І0 = 4І,85-І0_6 Ом; 90 • 2
0,І2 = І605 А.
а-6
К3ек
І
Д
І605
= 4.
І3ном 400
К3ек = 4 > К3 = 3, що рекомендується для тягових електроапаратів.
Можна зробити висновок, що номінальний струм Іном = 400 А не викличе ніяких пластичних деформацій головних контактів контактора 78РІ.
Температура плавленнядля міді [3] ТПл = І083° С. На початку плавлення:
2,6 -І083'
рт = 2,І5 -І^ІІ + -
Г1пл ’ І
І000
= 8,І9 -І0“6 Ом-см
гк н
АП„
8,І9 • І0_6 Іп-505• І02
г = 0,43 В [2], І
90 • 2
0,58 • 0,43
= І2І,5 -І0“6 Ом
пл
-6
= 2053 А.
4І,85 -І0'
Номінальний струм контактора 78РІ Іном = 400А [5]. Коефіцієнт експлуатаційного запасу комутуючих контактів:
І2І,5 -І0“
Значення амплітуд струму КЗ в момент часу, коли (а0 - фК) » л/2 дорівнюють [4]:
І3т = 7076,8 Л (при ПІ = І9 кВ);
І3т = 93І3,4 Л (при ПІ = 25 кВ);
І3т = І080І,7 Л (при ПІ = 29 кВ).
Видно, що при всіх значеннях ПІ відповідне І3т більше струму Іпл = 2053 А, тобто існує значна ймовірність плавлення, а потім і зварювання контактів.
Якщо у момент КЗ буде (а0 - фК) » 0, то:
І3т = 6388 Л (при ПІ = 29 кВ);
І3т = 5506,9 Л (при ПІ = 25 кВ);
І3т = 4І85,2 Л (при ПІ = І9 кВ).
При всіх значеннях ПІ струм І3т більший, ніж струм Іпл = 25І4 А. Тобто, при КЗ в колі опалення при будь-якому значенні ПІ контакти контактора 78РІ будуть плавитися.
Враховуючи, що й на електровозі ЧС4, й на електровозі ЧС8 струми плавлення значні (дорівнюють декільком тисячам ампер) можна стверджувати, що за час ґ = 0,08 с (доки головний вимикач знеструмить коло електровозу) процес плавлення пройде свою активну фазу, розплавлений метал, бризкаючи в усі боки, може викликати пожежу в камері, де змонтовані контактори І 8УЛБ8 та 7 8РІ.
Відмітимо, що в переліку технічних характеристик контакторів І 8УЛВ8 та 78РІ значення струму термічної стійкості та допустимий час його проходження через контакти (без їх деформації) не вказується, що є певним недоліком з точки зору визначення, чи будуть струми КЗ викликати залишкову деформацію контактів.
ВИСНОВКИ
І. Найбільший струм Ід, який не викликає пластичної деформації матеріалів контактів контактора І8УЛБ8 (електровоз ЧС8) дорівнює приблизно 2423 А. Коефіцієнт експлуатаційного запасу комутуючих контактів цього контактора дорівнює (2423/550)=4,4 (де 550 А - номінальний струм контактора І8УЛБ8).
2
Для контактора 78Р1 (електровоз ЧС4) Ід=1605А. Коефіцієнт експлуатаційного запасу комутуючих контактів цього контактора дорівнює (1605/400)~4, (де 400 А - номінальний струм контактора 78Р1).
Для тягових електроапаратів рекомендується коефіцієнт експлуатаційного запасу не менше трьох. Таким чином, ця рекомендація виконана як для контактора 18УАБ8, так і для контактора 78Р1.
2. Струм плавлення Іпл ~ 3151 А для контактора 18УАБ8 та ІПл^2053А для контактора 78Р1. Для обох типів контакторів значення струмів плавлення менші, ніж максимальні значення відповідних струмів КЗ. Тобто, при КЗ у колі опалення можливе плавлення, а потім і зварювання контактів контакторів 18УАЭ8 та 78Р1.
Плавлення (зварювання) контактів може привести до пошкодження інших елементів і навіть до пожару в камері, де встановлений контактор опалення.
3. У теперішній час з урахуванням уніфікації пристроїв у колах опалення електровозів ЧС4 та ЧС8 доцільно замість існуючих типів контакторів застосувати пристрої, які орієнтовно мають струм термічної стійкості (0,5 с) - не менше 15 кА і витримують без пошкоджень крізний струм КЗ 25 кА і більше.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Описание приборов «А» ЧС8.
2. Захарченко Д.Д. Тяговые электрические аппараты. - М.: Транспорт, 1991. - 247 с.
3. Таев И.С. Электрические аппараты управления. - М.: Высшая школа, 1969. - 444 с.
4. Дослідження та розробка заходів щодо підвищення на-
дійності захисту кіл опалення пасажирських електровозів змінного струму. Звіт з НДР. № держреєстрації
0110Ш06290.2010р. - 44 с.
5. Коптелкин В.А. и др. Пассажирские электровозы ЧС4 и ЧС4Т - М.: Транспорт, 1975. - 384 с.
Bibliography (transliterated): 1. Opisanie priborov «A» ChS8. 2. Zaharchenko D.D. Tyagovye 'elektricheskie apparaty. - M.: Transport, 1991. - 247 s. 3. Taev I.S. 'Elektricheskie apparaty upravleniya. -M.: Vysshaya shkola, 1969. - 444 s. 4. Doslidzhennya ta rozrobka zahodiv schodo pidvischennya nadijnosti zahistu kil opalennya pasazhirs'kih elektrovoziv zminnogo strumu. Zvit z NDR. № derzhreestracii' 0110U006290.2010r. - 44 s. 5. Koptelkin V.A. i dr. Pas-sazhirskie 'elektrovozy ChS4 i ChS4T. - M.: Transport, 1975. - 384 s.
Надійшла 28.04.2011
Маренич Олександра Олександрівна Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, науково-дослідна частина,
49010, Дніпропетровськ, вул. Лазаряна, 2
тел. (056) 776 90 59
e-mail: [email protected]
Marenich A.A.
Improvement of heating circuit reliability in CHS 4 and CHS8 electric locomotives.
Power contact fusing currents for 7SP1 and 1SVAD8 contactors used in heating circuits of electric locomotives have been determined. It has been shown that in operation there may be situations when short-circuit currents are significantly greater than fusing currents. In this condition, a short-circuit current goes through the contactors contacts before protection actuation over a period of time long enough for the contacts fusion resulted from insufficient thermal stability current. Recommendations for thermal stability current values in the heating circuits have been developed.
Key words - heating circuits, electric locomotives, short-circuit, power contacts.
