CC BY
70
76
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
УДК 62-758.37
А. В. Лабковский
ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ РАБОТЫ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Действующие плавкие предохранители являются фактором, снижающим надежность функционирования систем автоматики и телемеханики. Рассмотрены предохранители с контролем срабатывания и с авторезервированием. Проведен анализ параметрической совместимости их элементов.
предохранитель с контролем срабатывания, предохранитель с авторезервированием, плавкая вставка, пороговый блок, джоулев интеграл, стандартное отклонение, относительное стандартное отклонение.
Введение
Устройства железнодорожной автоматики и телемеханики, предназначенные для управления движением поездов, являются одним из ключевых элементов технического оснащения железных дорог. Надежность системы железнодорожной автоматики и телемеханики определяется как её структурой в целом, так и надежностью входящих в нее элементов.
Система железнодорожной автоматики и телемеханики может подвергаться опасным электрическим воздействиям со стороны внешней среды или вследствие внутренних неисправностей самой системы.
Для минимизации опасных влияний в системах применяются устройства защиты, качественно изменяющие свои электрические параметры при возникновении опасного состояния системы. В большинстве случаев приборы электрической защиты при выполнении срабатывания - перехода из одного состояния в другое - делают невозможным функционирование системы до момента самовосстановления либо принудительного переключения в первоначальное состояние. Отрицательным последствием срабатывания устройств защиты является частичное либо полное прекращение функционирования системы автоматики и телемеханики, что приводит к задержкам в перевозочном процессе, повышению расхода энергоресурсов, снижению безопасности движения поездов [1].
Срабатывание устройств электрической защиты может быть санкционированным и несанкционированным, что выражается в работоспособности системы после восстановления в приборе защиты первоначального состояния.
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
77
Санкционированное срабатывание устройства защиты происходит в результате неисправности системы. В этом случае работоспособность системы не может быть восстановлена путем возвращения устройств защиты в первоначальное состояние. Несанкционированное срабатывание происходит вследствие отказов самих устройств защиты, отсутствия электромагнитной совместимости с другими типами защитных устройств или с окружающей средой.
Плавкие предохранители (ПП) являются основным элементом защиты в устройствах автоматики и телемеханики, интенсивность срабатывания которых составляет около 80% от совокупного количества срабатываний всех типов устройств. При этом большинство из них являются несанкционированными, приводящими к отключению исправных устройств автоматики и телемеханики.
Действующие плавкие предохранители являются фактором, снижающим надежность функционирования системы автоматики и телемеханики.
Высокий уровень отказов плавких предохранителей в находящихся в эксплуатации системах железнодорожной автоматики и телемеханики и существенные потери в движении поездов, вызываемые этими отказами, ставят проблему повышения надежности плавких предохранителей в ряд весьма актуальных.
1 Предохранитель с контролем срабатывания
Предохранитель с контролем срабатывания относится к области электротехники, преимущественно к устройствам железнодорожной автоматики и телемеханики.
Известен предохранитель с контролем перегорания [2]. Он содержит держатель проволочной плавкой вставки (ПВ) и цоколь, с гнездами которого плавкая вставка соединена с помощью штырей. За плавкую вставку зацеплен одним концом подпружиненный стержень, другой изолирующий конец которого расположен над сигнальными разомкнутыми контактами. При перегорании плавкой вставки стержень под воздействием пружины перемещается вниз и замыкает сигнальные контакты, расположенные в основании предохранителя.
Недостатком рассмотренного предохранителя с контролем перегорания является сложность и низкая технологичность изготовления конструкции элементов держателя, с которыми соединена плавкая вставка, а также существенное влияние на надежность контроля предохранителя охлаждающего действия подпружиненного стержня и опорной непроводящей пластины, имеющей отверстие посередине, с которой плавкая вставка находится в непосредственном соприкосновении. Размеры опорной непроводящей пластины таковы, что расстояние между местом зацепления подпружиненного стержня и внутренними кромками отверстия опорной не-
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
78
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
проводящей пластины существенно меньше (примерно в 4 раза) по сравнению с расстоянием между верхними частями держателя плавкой вставки и внешними кромками опорной непроводящей пластины. Следовательно, проволочная плавкая вставка расплавляется не в зоне зацепления подпружиненного стержня с хорошими условиями ее охлаждения, а за пределами опорной непроводящей пластины, где условия охлаждения плавкой вставки существенно хуже.
В результате в практике эксплуатации наблюдаются случаи зависания подпружиненного стержня на нерасплавленной средней части проволоки плавкой вставки, за которую он зацеплен. В этих случаях сигнальные контакты, расположенные в цоколе, не замыкаются и не дают информацию обслуживающему персоналу о факте срабатывания предохранителя.
Известен предохранитель с контролем срабатывания [3], содержащий держатель плавкой вставки и основание, с гнездами которой плавкая вставка соединена с помощью ножевых контактов, причем плавкая вставка закреплена непосредственно на их верхних концах. За плавкую вставку зацеплен одним концом подпружиненный стержень, другой изолирующий конец которого расположен над сигнальными разомкнутыми контактами. При перегорании плавкой вставки стержень под воздействием пружины перемещается вниз и замыкает сигнальные контакты, расположенные в основании предохранителя.
Схема устройства предохранителя с контролем срабатывания изображена на рисунке 1 и рисунке 2 (вид сверху).
Данный предохранитель с контролем срабатывания, принятый за прототип, является конструктивно более простым и более технологичным вариантом. Однако и этот вариант обладает теми же недостатками в части контроля, которые рассмотрены выше.
Задача предложенного устройства - повысить надежность предохранителя с контролем срабатывания.
Поставленная задача решается тем, что в предохранителе с контролем срабатывания, содержащем держатель плавкой вставки, в котором закреплены ножевые контакты, вставляемые в гнезда основания с пружинными контактами, при этом между верхними частями ножевых контактов натянута, прикреплена к ним и находится в непосредственном соприкосновении с опорной непроводящей пластиной, имеющей отверстие посередине, медная проволока плавкой вставки, за середину которой зацеплен подпружиненный стержень, и его нижняя изолирующая часть расположена над сигнальными разомкнутыми подпружиненными контактами, расстояние между местом зацепления подпружиненного стержня и внутренними кромками отверстия опорной непроводящей пластины не менее чем в 1,5 раза больше расстояния между верхними частями ножевых контактов и внешними кромками опорной непроводящей пластины.
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
79
1 2 7 8 6
Рис. 1. Предохранитель с контролем срабатывания:
1 - держатель плавкой вставки; 2 - плавкая вставка; 3 - ножевые контакты;
4 - пружинные контакты; 5 - основание; 6 - опорная непроводящая пластина; 7 - отверстие пластины; 8 - подпружиненный стержень; 9 - сигнальные разомкнутые подпружиненные контакты
3 7 2 6 3
Рис. 2. Предохранитель с контролем срабатывания (вид сверху)
Благодаря перераспределению теплоотвода по длине плавкой вставки и концентрации чувствительности ее к расплавлению в зоне зацепления подпружиненного стержня надежность контроля срабатывания предохранителя повышается. Эксперименты на макетном образце предохранителя подтвердили эффективность предлагаемого решения.
2 Плавкий предохранитель с авторезервированием
В системах управления движением поездов на железнодорожном транспорте на токи до 15 А применяются предохранители, плавкие вставки (ПВ) в которых выполнены в виде калиброванных медных проволок длиной около 25 мм. ПВ имеют контроль перегорания (за середину проволоки зацеплен подпружиненный стержень, нижняя изолирующая часть которого расположена над сигнальными разомкнутыми подпружиненными контактами).
Анализ показал, что одной из существенных причин несанкционированного срабатывания проволочных плавких предохранителей (ПП) при
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
80
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
воздействии избыточных напряжений молниевых процессов является старение ПВ, которое выражается в уменьшении сечения проволоки в результате окисления ее поверхности при нагреве рабочими токами и за счет ее вытягивания механическим контрольным устройством.
Следует заметить, что старение ПВ приводит к несанкционированному срабатыванию ПП не только от молниевых процессов, но и от рабочих токов нагрузки. В среднем из каждых 10 срабатываний ПП лишь в одном случае наблюдается короткое замыкание в защищаемой цепи. Такая ситуация приводит к существенным необоснованным задержкам поездов и снижению безопасности их движения.
Одним из способов повышения надежности ПП является резервирование ПВ [4], [5].
Основная идея резервирования ПВ состоит в том, что плавкая вставка резервного предохранителя включена через пороговый блок. При этом пороговый блок выполняется из диодов, включенных параллельно и встречно друг другу.
Схема устройства резервирования предохранителя показана на рисунке 3, пример реализации порогового блока приведен на рисунке 4.
5
6 4
Устройство резервирования предохранителя (см. рис. 3) содержит плавкую вставку 1 основного предохранителя. За середину этой ПВ зацеплен подпружиненный стержень 2, нижняя изолирующая часть 3 которого расположена над сигнальными разомкнутыми подпружиненными контактами 4.
Параллельно плавкой вставке 1 основного предохранителя через пороговый блок 5 включена плавкая вставка 6 резервного предохранителя с аналогичным током плавления. Возможный вариант исполнения порогового блока 5 (см. рис. 4) содержит диоды 7 и 8, включенные параллельно и встречно. Для создания необходимого порога по напряжению число диодов в каждой из параллельных цепей порогового блока 5 может быть более одного.
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
81
5
8
7
Рис. 4. Пороговый блок
Работа устройства резервирования предохранителя происходит следующим образом.
В нормальном режиме, когда величина тока нагрузки защищаемой предохранителем электрической цепи не превышает предельного значения для плавкой вставки 1, практически весь ток проходит через медную проволоку рабочей плавкой вставки 1 основного предохранителя, поскольку плавкая вставка 6 резервного предохранителя отделена от плавкой вставки 1 пороговым блоком 5 (в варианте с кремниевыми диодами 7 и 8 прямое напряжение составляет около 0,3 В, которое можно при необходимости увеличить, включая последовательно несколько диодов).
При обрыве плавкой вставки 1 основного предохранителя ток нагрузки безобрывно переходит на плавкую вставку 6 резервного предохранителя через диоды 7, 8 порогового блока 5, поскольку рабочие напряжения (220 В, 24 В) существенно превышают прямое напряжение диодов 7, 8. При этом подпружиненный стержень 2 освобождается от удерживающей плавкой вставки 1 основного предохранителя и нижней изолирующей частью 3 воздействует на сигнальные разомкнутые подпружиненные контакты 4, которые включают сигнализацию для обслуживающего персонала. В такой ситуации защищаемая предохранителем электрическая цепь продолжает функционировать, получая питание через резервный предохранитель, и обслуживающий персонал может запланировать в удобное для себя время замену сработавшего (по существу отказавшего) основного предохранителя в комплексе из основного и резервного предохранителей на исправный комплекс предохранителей.
Поскольку в аварийном состоянии защищаемая предохранителем электрическая цепь, к тому же отключенная основным и резервным предохранителями от источника питания, прекращает функционирование, этот факт легко обнаруживается оперативным и обслуживающим персоналом, что в сочетании с сигнализацией от контроля перегорания плавкой вставки 1 основного предохранителя позволяет легко индентифицировать срабатывание плавкой защиты по ее прямому назначению. В этом случае требуется устранение короткого замыкания в защищаемой предохранителем электрической цепи и замена комплекса сработавших основного и резервного предохранителей на исправный комплекс.
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
82
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
Работоспособность предлагаемого устройства проверена экспериментально.
Конструктивно комплекс из основного и резервного предохранителей размещается в типовом корпусе с типовыми присоединительными элементами и размерами, что в эксплуатационных условиях позволяет осуществлять замену типовых предохранителей с контролем срабатывания на комплексы из основного и резервного предохранителей с функцией безобрывного автоматического переключения с отказавшего в результате старения основного предохранителя на резервный.
3 Анализ параметрической совместимости элементов в плавких предохранителях с авторезервированием
В случае возникновения короткого замыкания в защищаемой предохранителем электрической цепи ток короткого замыкания вначале расплавляет основную плавкую вставку, после ее разрыва ток через диоды безобрывно переходит на резервную плавкую вставку и расплавляет ее.
При прохождении импульса тока короткого замыкания через последовательно соединенные плавкую вставку и пороговое устройство (ПУ) происходит нагрев до температуры разрушения резервной плавкой вставки и диода. Задача заключается в выборе типа диода для ПУ с такими параметрами, чтобы риск их повреждения был не более заданной величины. Если длительность импульса тока невелика (меньше постоянной времени нагрева плавкой вставки и диода), то решение задачи возможно путем сопоставления джоулевых интегралов разрушения диода и плавкой вставки. Очевидно, джоулев интеграл разрушения диодов должен быть больше, чем джоулев интеграл разрушения ПВ.
Для определения джоулева интеграла разрушения плавкой вставки (Q) использовались следующие допущения [1], [3], [6]:
1) импульс тока имеет достаточно малую длительность, такую, чтобы можно было пренебречь потерями тепла через поверхность и торцы рабочей нити предохранителя;
2) электрическое сопротивление нити линейно растет при увеличении температуры (закон р (=, (1 + a(T — T0)), где р - удельное сопротивление материала нити при температуре Т, ро — удельное сопротивление материала нити при температуре Т0, a — коэффициент).
Джоулев интеграл разрушения
Q
аР
т - т+
1 ^ а
Тн - Т0 +
1 а 0
(1)
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
83
Примем во внимание, что а(Тн — То ) << 1. Тогда формулу (1) можно переписать в приближенном виде:
Q = Qo—P Т,
где Qo =-Un(1 + a(Ti — То)) + Т°. aP P
Для определения джоулева интеграла разрушения медной плавкой вставки в зависимости от ее начальной температуры и диаметра проволоки получается следующая приближенная формула (d, мм):
Qlin (Тн, d) = (5,1 • 104 —117,3 • Тн) • d4 (А2- с). (2)
На рисунке 5 приведены графики зависимости джоулева интеграла разрушения плавкой вставки от ее начальной температуры, полученные для ПВ из медной проволоки разных диаметров (от 0,15 мм до 0,35 мм) с использованием приближенной формулы (2).
Из приведенных графиков видно, что разрушение диодов происходит в случае, если плавкие вставки имеют диаметр от 0,3 мм. Это означает, что для резервной ПВ номиналом 15 А (с диаметром проволоки 0,35 мм) диоды следует выбирать с джоулевым интегралом разрушения примерно 750 А с с целью обеспечения параметрической совместимости диодов и ПВ.
Рассмотрим дисперсионные свойства ПВ и их влияние на надежность функционирования ПП [3].
Выше была получена зависимость джоулева интеграла разрушения проводника от площади его сечения и начальной температуры. Преобразуем эту зависимость к виду:
Q
1с ^
=z ln
1
Т — Т + —
и ^0 ^
a
ap0
V
Тн — Т0 + _
1 a
kS2
(3)
где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала ПВ и ее начальной температуры; d- диаметр проволоки ПВ.
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
84
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
Рис. 5. Зависимость джоулева интеграла разрушения медной нити предохранителя диаметром 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35 мм от ее начальной температуры (Гн); бііп(Тн, d) - джоулев интеграл, вычисленный по формуле (2)
Формула (3) показывает, что джоулев интеграл довольно сильно зависит от диаметра проволоки ПВ. Для оценки этой зависимости зададимся значением стандартного отклонения диаметра проволоки Od и с помощью
(3) выразим стандартное отклонение для джоулева интеграла Oq :
O
Q
Qd
O
d
п 2 к 3
л d ср O d ,
где d^ - средний диаметр проводника.
Более показательно относительное стандартное отклонение:
SQ% = 0q-100% 4• -Od-• 100% 48d-100%.
Q Q dq) d
Последняя формула показывает, что 5q % в 4 раза больше относительного стандартного отклонения диаметра проводника Sd %. Так, если
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
85
Sd% составляет 2.. .5%, то 8д % находится в диапазоне примерно 8.. .20%. Если учесть, что отклонение от среднего значения на величину, превосходящую О d, имеет относительно большую вероятность (для нормального
закона распределения эта вероятность равна примерно 0,32), то возникает вопрос о тщательном контроле дисперсии диаметра проводников для плавких вставок.
Заключение
В статье рассмотрены предохранители с контролем срабатывания и с авторезервированием. Применение таких защитных устройств повышает их надежность, что способствует сокращению отказов систем автоматики и телемеханики.
Предложенный подход к параметрической совместимости элементов плавких предохранителей с авторезервированием может служить основой для выбора компонентов и разработки конструкторской документации.
Библиографический список
1. Вопросы ЭМС плавких предохранителей / А. М. Костроминов,
Ал-р А. Костроминов, Ал-й А. Костроминов, А. В. Никонов, Д. Л. Павлов, А. А. Шабалин // Сб. материалов VIII научно-технической конференции ЭМС-2004 «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность». - СПб. : ВИТУ, 2004. - С. 126-129.
2. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики : справочник. Кн. 2 / В. И. Сороко, Е. Н. Розенберг. - 3-е изд. - М. : НПФ «Планета», 2000. - 698 с.
3. Каталог изделий Санкт-Петербургского электротехнического завода МПС РФ. - СПб. : ОАО «Иван Федоров», 1997. - 137 с.
4. Повышение молниестойкости плавких предохранителей в системах управления движением поездов / А. М. Костроминов, Ал-р А. Костроминов, Ал-й А. Костроминов, А. В. Лабковский, Д. Л. Павлов // Технологии ЭМС. - 2007. - №2. - С. 38-43.
5. К вопросу об ЭМС плавких предохранителей в системах управления движением поездов / А. М. Костроминов, Ал-р А. Костроминов, Ал-й А. Костроминов, А. В. Лабковский // Сб. материалов X научно-технической конференции ЭМС-2006 «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность». - СПб. : ВИТУ, 2006. - С. 478-484.
Статья поступила в редакцию 10.03.2008;
представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
