Выравнивание рабочего напряжения в изоляции обмоток тяговых электродвигателей тепловозов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Key words: semiconductor converters, current inverter, high-voltage electric motors, electric drive, transient process.

Dadabaev Shakhboz Tolibjonovich, senior lecturer, shahbozdadoboev@,mail. ru, Tajikistan, Khujand, Khujand Polytechnic Institute of the Tajik Technical University named after academician M.S. Osimi

УДК 621.313

ВЫРАВНИВАНИЕ РАБОЧЕГО НАПРЯЖЕНИЯ В ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ

А.Н. Калякулин, А.С. Тычков, В.А. Силаев

Представлена методология исследований, основанная на схемотехнических решениях с целью повышения надежности электротехнических систем с многослойной изоляцией. Методика заключается в снижении электрических воздействий в изоляции обмоток тяговых электродвигателей путем изменения места расположения точки с нулевым потенциалом в цепи высокого напряжения тепловоза. Приведен пример реализации методики. Полученные результаты показывают, что выравнивание напряжения относительно корпуса в изоляции обмоток может быть достаточно эффективно достигнуто исключением точки соединения с корпусом.

Ключевые слова: тяговый электродвигатель, изоляция, отказы, электрическая схема тепловоза, напряжение в изоляции, реле заземления, ресурс изоляции.

Анализ данных ОАО «РЖД» о выходе из строя тяговых электродвигателей (ТЭД) показал, что основной причиной этого является неудовлетворительная электрическая изоляция. Доля межвитковых замыканий и пробоя корпусной изоляции якоря составляет 30...40 % от общего числа неисправностей двигателя.

Отказы ТЭД по причине электрического пробоя изоляции обмоток якоря и главных полюсов и отказы современных сложных электротехнических систем в целом сопряжены с большими техническими и экономическими потерями [1]. Все это вызывает необходимость разработки технических и технологических решений, направленных на повышение ресурса изоляции обмоток.

В эксплуатации изоляция стареет вследствие ряда медленных процессов, таких, как общее изменение структуры изоляции под воздействием сильных электрических полей, температур, которые выше класса нагрево-стойкости диэлектриков. Особенно негативно воздействие концентраторов: напряженности электрического поля, механических нагрузок, тепловых потерь. Эти концентраторы создают появления местных дефектов изоляции, которые медленно увеличиваются.

375

При постоянном высоком напряжении ионизационные и электротепловые явления выражены слабо, однако возникает новый вид старения изоляции - химическое старение, то есть электромагнитные явления, которые постепенно приводят к химическому перерождению диэлектрического материала, росту токов проводимости и окончательно к электрическому или тепловому пробою.

Обычно разрушение изоляции обмоток тяговых электродвигателей в условиях эксплуатации происходит в результате комплексного воздействия ряда факторов: теплового (термического) воздействия при повышенных температурах, воздействия электрического напряжения, электродинамического и механического воздействия, влияния влаги и загрязнений.

В данной статье предлагается методами математического моделирования получить значения напряжения в изоляции тяговых электродвигателей, включенных в цепь высокого напряжения современных тепловозов 2ТЭ25КМ и предложить схемное решение для снижения этих значений в целях создания более благоприятных условий работы изоляции и тем самым повышения ее ресурса.

Электрические воздействия на изоляцию определяются, как известно, рабочим напряжением и возникающими в процессе эксплуатации перенапряжениями. Величины рабочих напряжений на изоляции, равные потенциалам точек цепи относительно корпуса тепловоза, зависят от места расположения точки цепи с нулевым потенциалом. В силовой цепи тепловоза нулевой потенциал имеет та точка, к которой подключено реле заземления.

Исследования, направленные на повышение надежности тяговых двигателей маневровых тепловозов старых серий, которые проводились еще в 70-х годах прошлого века выявили неравномерность распределения напряжения в изоляции у групп двигателей, включенных в цепь. Установлено что наибольшее напряжение 800 В имеет место в изоляции якорных обмоток двигателей 1,2,5; в то же время на изоляцию якорных обмоток двигателей 6,3,4 приходится напряжение, составляющее около 50 % напряжения генератора. В результате этого напряженность электрического поля в изоляции первой из названных групп двигателей в два раза, а мощность потерь в изоляции в четыре раза больше, чем у второй группы. Естественно, это приводит к большой повреждаемости изоляции первой группы двигателей. Если реле заземления присоединить к точке цепи, расположенной между двумя последовательно включенными якорями двигателей, то на изоляцию якорных обмоток всех двигателей будет действовать напряжение, равное примерно половине рабочего напряжения главного генератора. Полученные данные позволяют сделать вывод, что для повышения надежности изоляции необходимо снизить рабочие напряжения на тя-говыхдвигателях, подключенных со стороны положительного вывода главного генератора [2, 3]. Предлагается применить данную методику для электрической схемы современного магистрального тепловоза.

В электрической схеме тепловоза 2ТЭ25КМ переменное трехфазное напряжение со статорных обмоток тягового генератора поступает на вход тягового выпрямителя А1 в котором установлены шесть управляемых выпрямителей. Постоянное напряжение с каждого выпрямителя поступает на тяговые двигатели по следующей цепи (ниже, на рис. 1 приведена схема включения 1-го ТЭД, остальные включаются аналогично): положительный вывод выпрямителя + П1— силовой контакт (с дугогашением) поездного контактора П1— токоизмерительный шунт (контроль тока тягового электродвигателя) — якорная обмотка тягового электродвигателя — коммутирующие контакты тормозного переключателя ТП— коммутирующие контакты реверсора Р— коммутирующие контакты тормозного переключателя ТП—> отрицательный вывод выпрямителя - П1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема тепловоза

Защита от пробоев на корпус высоковольтных цепей осуществляется устройством искусственного «заземления». В устройство входят реле заземления РЗ, резисторы СР31-СР34, рубильники ВР31,2, кнопка реле заземления КРЗ, блок выпрямителей БВЗ и блок диодов П21. Цепь заземления подключена к выводам «+» и «-» выпрямителей через блок диодов П21 (от каждого тягового электродвигателя) (рис. 1.) [4].

В режиме «тяга» программное обеспечение микропроцессорной системы управления тепловоза (МСУ-ТП) задает внешние характеристики тягового выпрямителя, напряжение, в зависимости от позиции контроллера машиниста, изменяется в интервале от 110 до 750 В.

Изоляцию объекта можно считать диэлектриком условного электрического конденсатора, а контроль параметров изоляции сводится к наблюдению за изменением характеристик этого конденсатора [5]. На основании данного утверждения разработана схема замещения цепи высокого напряжения тепловоза (рис. 2). Особенностью схемы является учет электрической емкости (С/и С2) и сопротивления изоляции (Ям Яз) обмоток якоря и полюсов тяговых электродвигателей (ТЭД), а также сопротивления силовых кабелей (Я1), емкостью которых решено пренебречь.

Рис. 2. Схема замещения цепи высокого напряжения тепловоза

На схеме приняты следующие обозначения: Ев - э.д.с. тягового выпрямителя тепловоза; Я1- сопротивление монтажа; Е - э.д.с. ТЭД; Я2 - активное сопротивление якорной цепи ТЭД; Ь1 - индуктивность якорной цепи ТЭД; Яз - активное сопротивление обмоток главных полюсов ТЭД; Ь2 - индуктивность обмоток главных полюсов ТЭД; С1 - электрическая ёмкость главных полюсов ТЭД; Я4 - сопротивление изоляции обмоток главных полюсов ТЭД; С2 - электрическая ёмкость якорной цепи; ТЭД; Яз - сопротивление изоляции якорной цепи ТЭД.

С использованием расчётной схемы замещения, на основании известных законов Кирхгофа, составлена математическая модель для расчёта переходных процессов в силовой цепи тепловоза:

378

10(*) - ¡,(*) - 13(*) = 0 ¡,(*) -12(,) +14(,) = 0

12 (*)Я3 + ¿2 ^ + | ¡7 (*М* + С | ¡5 (Г= Ев

т С2 '

С,

¡,(0Я + А ттр - с1" 115^ - С-11 А* +¡¿щ = —Ед с 115 (* )т -16(*) я = о

с,

(1)

С-117(* )т* -18(*) я5

' о

18(*) Я +19(г) Я = Ев

где ¡з (*) = 17 (*) +18 (*); 14 (*) = 15 (*) +16 (*); ¡о (*) = 12 (*) + ¡9 (*) Учитывая, что

¡5 (*) = С,

т

¡7 (*) = С

тис 2(*) т

¡б(*), ¡,(*)=^

Я

Получим

Цс"(* )

Подставим полученные выражения в систему уравнений. В результате имеем систему дифференциальных уравнений первого порядка

С 2 - ^ и с2 (*) - ¡"(*) + ¡ 2 (*) - ^ (Ед - ис 2 )= 0

- i

т* я5 14' * ^ я6 4 ^

с, +Я- иЛ*) - ¡ 2 (*)+¡,(*)=0

т Я4

и тЖ + Яз ¡2 (*) + и, (*) + ис2 (*) = Ег

(2)

¿1

т тчх($)

+ (я, + ) - и^) - ис2 (*) = -Е

д

Данная система уравнений решена численным методом (методом Адамса) при начальных условиях:

¡2(0) = 0, ¡,(0) = 0, и с, (0) = 0, и с 2 (0) = 0

В результате расчета уравнений можно получитьзначения токов и напряжений на элементах схемы замещения. График значений напряжения ис2в изоляции якорной обмотки в зависимости от позиции контроллера машиниста (КМ) представлена на рис. 3. Анализируя полученный график можно сделать вывод о том, что основная часть напряжения тягового выпрямителя относительно корпуса приходится на изоляцию обмотки якоря.

0

Пошции контроллера

Рис. 3. Напряжение в изоляции якорной обмотки тягового двигателя в зависимости от позиции контроллера машиниста

График значений напряжениями в изоляции обмотки главных по-люсовв зависимости от позиции контроллера машиниста на рис. 4.

Позиции контроллера

Рис. 4. Напряжение в изоляции обмотки главных полюсов тягового двигателя в зависимости от позиции контроллера машиниста

Значения напряжения в изоляции, как видно из графика находятся в интервале от 0,87 В. до 6,5 В.Таким образом можно судить о значительной неравномерности распределения напряжения выпрямителя относительно корпуса между обмотками тяговых электродвигателей.

График накопления напряжения Пс2на выводах конденсатора С2, показан на рис. 5 ипредставляет собой колебательный переходной процесс, достигающий установившегося значения, равного 750 В. Полученное значение совпадает с выходным значением тягового выпрямителя на 15-й позиции контроллера тепловоза, подаваемое при моделировании.

380

Uc2(t), В

750

740

730 720 710

о 2-т4 4-1 О* á-ÍCH SiíH i'i О--' t с

Рис. 5. График нарастания напряжения в конденсаторе Сг

График зависимостиUci(t)в конденсаторе Ci, представляющемизо-ляцию обмоток главных полюсов,показан на рис. 6. Колебательный переходной процесс нарастания напряжения на обкладках конденсатора достигает установившегося значения, равного 6,5В через 110-3с.

Uci(t), В 20

10

О

-10

-20

-30

2-10"4 4-10-4 6-1 fr4 S-10-4 1-10-3 U с

Рис. 6. Графики нарастания Uci(t) в конденсаторе Ci

Результаты проведенного моделирования показали, что при выходе тепловоза на режим максимальной мощности, что соответствует 15-й позиции контроллера машиниста, обмотка якоря испытывает максимальное напряжение в изоляции, равное выходному напряжению тягового выпрямителя. Как было отмечено выше, снижение рабочего напряжения в изоляции тяговых двигателей возможно путемизменения точки подключения реле заземления. Предлагается полностью исключить эту точку, однако в этом случае нарушается функционирование системы защиты от заземлений на корпус. Исключение реле заземления возможно в том случае, если существующую систему защиты заменить на устройство обнаружения пробоев на корпус УОП1, разработанное авторами [6, 7]. Электрическая схема цепи высокого напряжения тепловоза после модернизации показана на рис. 7.

Для получения значений напряжения в изоляции тяговых электродвигателей после преобразования электрической схемы тепловоза разработана ее схема замещения (рис. 8).

nlpw V\AAAA/w

г

к

А! 2

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема тепловоза с предлагаемым устройством обнаружения пробоя

т

ш\

П я,

Л»

о

ыо

1 Г ыА

Ш

а

=# О"

т I

О

\ш

1п(0

с,

рз ш

\ы>

V 0

[ш

О'

¡МО

Рис. 8. Схема замещения цепи высокого напряжения тепловоза с предлагаемым устройством обнаружения пробоя

Устройство обнаружения пробоя на схеме замещения представлено источником переменного напряжения, эквивалентными емкостями Сз и С4, разделительным конденсатором С5, уравновешивающим резистором Яви исполнительным элементом в виде электромагнитного реле РЗ. Как видно

382

из схемы точка соединения плюсовой и минусовои цепи с корпусом отсутствует. Математическая модель, описывающая процессы в цепи тепловоза после изменения схемы, выглядит следующим образом: I о(<) - ^) - 1) = о IДг) - I о(г ) + IД) = о

ш 0« )

А^Ж + ь2 +ьтв + С- \ ^т+С \ =е

ш С2 С,

йг

шя + а - с-1 ^т - с-1 ^т+=-ед

1 г

—115(г )йг -16(г) я4 = о С 1

— \17(Г)Ш -1)я5 = о

С2

(3)

где

I з(0 = 17(?) + 4(0, 14 (0 = А(0 + 4(0

Учитывая, что

!5(0 = С, ^, I7(í) = с,, ^

ш

ш

Получим:

I б(< ) = ^ , 18(< ) = ^2(< )

ял

я.

М ^5

Подставим полученные выражения в систему уравнений. В результате имеем систему дифференциальных уравнений первого порядка:

- с

лил*) + 1 ис 2 (<)+1 о(< ) - ^) = о

йг

я<

с, ЖЛ) + 1 иЛ<)-1о(<) +1,(<) = о

йг

ь шо(<)

я4

(4)

+ (Яз + яв) I о(< ) + ис1 (г) + ис 2 (г) = е г

ш

и

йI1 (г) йг

+ (я + ЭДС) - иС1 (г) - ис ) = - е

д

Данная система уравнений решена численным методом (методом Рунге-Кутты 4-го порядка с адаптивным шагом) при начальных условиях

!о(0) = О, Il(0) = О, иС1(0) = О, иС2(0) = О На рис. 9 представлены результаты моделирования, определены значения напряжения на обмотках тягового электродвигателя в зависимости от номера позиции контроллера машиниста. По полученным значениям можно сделать вывод о выравнивании напряжения в обмотках и значительном снижении напряжения в изоляции якорной обмотки относительно корпуса в предложенной электрической схеме, для 15-й позиции снижение составило 43,5 %, напряжение в изоляции полюсов наоборот, выросло в 50 раз.

450 400 350 300 ЕЦ 250 Ь* 200

150

100 50

О

12 3 4 5 6 7 К 9 10 11 12 13 14 15 Позиции контроллера

Рис. 9. Напряжение в изоляции тягового двигателя в зависимости

от позиции контроллера машиниста: 1 - напряжение в изоляции якорной обмотки; 2 - напряжение в обмотке главных

полюсов

Далее предлагается показать каким образом выравнивание напряжения в изоляции обмоток тяговых электродвигателей тепловоза позволит увеличить ресурс.

Пробивное напряжение зависит от большого числа конструктивных и технологических факторов и внешних условий и является для изоляции данного типа в фиксированный момент времени случайной величиной. Электрическая прочность технических диэлектриков (изоляционных материалов обмоток, кабелей) в значительной степени определяется наличием в диэлектрике случайно распределенных по величине и положению загрязняющих частиц, примесей, воздушных (газовых) включений и дефектов, усиливающих неравномерность электрического поля и создающих слабые места в изоляции. По этим причинам при испытаниях электрической прочности (испытаниях на пробой) изоляции обмоток обычно обнаруживается большой разброс значений пробивного напряжения относительно среднего значения. Пробой обмоток якоря, полюсов начинается вероятнее всего в наиболее «электрически слабом» месте: в наиболее крупной поре, в месте повышенной напряженности электрического поля, в месте включения вещества с более высокой проводимостью (большей диэлектрической проницаемостью).

Таким образом, изменение прочностных свойств изоляции находит своё отражение в изменениях основных характеристик распределения её вероятностей пробоя в зависимости от времени, прошедшего от начала эксплуатации.

Для оценки надёжности изделий, имеющих однородность начального качества, частичную приработку в заводских условиях и работающих в широком диапазоне нагрузок, может быть применена схема накаплива-

ющихся повреждений. Такая схема предполагает, что средняя скорость изменения прогнозирующего параметра при её случайных вариациях в среднем постоянна [8]. Применительно к изоляции обмоток ТЭД это означает, что зависимость их пробивного напряжения от времени может быть принятой линейной, т. е.

и пр = и н

ы,

(5)

где ипр- текущее значение пробивного напряжения изоляции обмоток, кВ; ин- начальное значение электрической прочности обмоток ТЭД, при выпуске его заводом-изготовителем; к - коэффициент, учитывающий ухудшение качества изоляции в эксплуатации, кВ/тыс. км; ? - пробег ТЭД от начала эксплуатации, тыс. км.

На основании формулы (5) предлагается построить кривую ресурса (рис. 10) тягового электродвигателя при работе в цепи высокого напряжения, в которой исключили точку соединения с корпусом. Для построения кривой ресурса приняли следующие исходные данные: ипр = 8 кВ, максимальное рабочее напряжение на изоляции якоря ТЭД равное 1,2 кВ при существующей схеме и напряжение, равное 423,4 Впосле исключения точки с нулевым потенциалом,пробег до заводского ремонта 650 тыс. км.

1200 900 422

А ¿=74

I, тыс. км

0 40 80 160 240 320 400 480 560 650 724 Рис. 10. Кривая ресурса тягового электродвигателя тепловоза

Таким образом, электрическое воздействие на изоляцию, которое связано с наличием перенапряжений в процессе эксплуатации ТЭД и приводит к разрушению и отслаиванию изоляции может быть снижено путем исключения точки соединения плюсовой и минусовой цепи тепловоза с корпусом. Снижение рабочего напряжения на изоляции якоря относительно корпуса в цепи тепловоза на 43,5 %позволит увеличить ресурс ТЭД на 74 км.

Список литературы

1. Булатов А.А. Комплексный подход к оценке технического содержания электровозов и их лимитирующих узлов [Текст] / А.А. Булатов, Н.Н. Капранов, Е.М. Плохов // Вестник Транспорта Поволжья, 2014. Т. 1. С.40-43.

2. Белокосов Б.П. Повышение надежности тяговых двигателей тепловозов [Текст] / Б.П. Белокосов, В.В. Егоров, А.Ю. Лянда, М.Н. Новиков, С.И. Силевский // Железнодорожный транспорт, 1977. Т. №12. С.13-15.

3. Гордеев И.П. Коррекция напряжений в силовых цепях локомотивов и диагностика в них коротких замыканий на корпус [Текст] / И.П. Гордеев, Е.М. Тарасов, А.Н. Калякулин, А.В. Мыздарин, А.И. Гордеев // Вестник Транспорта Поволжья, 2015. Т.№4. С.22-30.

4. Калякулин А.Н. Анализ схем включения реле защиты от заземления в силовых цепях тепловозов [Текст] / А.Н. Калякулин, А.С. Тычков, М.В. Анахова // Вестник Транспорта Поволжья, 2018. Т.№1. С.11-16.

5. Рыбаков Л.М., Макарова Н.Л. Обоснование диагностических признаков силовых трансформаторов // Агроинженерия: Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячки-на. 2010. Вып. 2 (41). C. 22-24.

6. Калякулин А.Н. Защита силовых цепей электровозов от коротких замыканий [Текст] // Железнодорожный транспорт, 2010. Т. №7. С.56-57.

7. Гордеев И.П. Система безопасности силовых цепей электровозов постоянного тока [Текст] / И.П. Гордеев, А.Н. Калякулин, А.С. Тычков. // Наука и образование транспорту: материалы V Международной научно-практической конференции. Самара: СамГУПС, 2012. С. 11-13.

8. Герцбах И.Б., Кордонский Х.Б. Модели отказов. М.: Советское радио, 1961. 166 с.

Калякулин Алексей Николаевич, старший преподаватель, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения,

Тычков Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения,

Силаев Валерий Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, sil-zoya@yandex. ru, Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения

THE ALIGNMENT OF THE OPERATING VOLTAGE IN ISOLATION WINDINGS OF TRACTION ELECTRIC MOTORS OF LOCOMOTIVES

A.N. Kalyakulin, A.S. Tychkov, V.A. Silaev

The research methodology based on circuit design solutions to improve the reliability of electrical systems with multilayer insulation is presented. The technique is to reduce the electrical effects in the insulation of the windings of traction motors by changing the location

386

of the point with zero potential in the high voltage circuit of the locomotive. An example of the method implementation is given. The results show that the voltage equalization with respect to the housing in the winding insulation can be effectively achieved by excluding the connection point with the housing.

Key words: traction motor, insulation, failures, electric locomotive circuit, insulation voltage, grounding relay, insulation resource.

Kalyakulin Alexey Nikolaevich, senior lecturer, Alexeiruza yandex.ru, Russia, Samara, Samara state University of Railways,

Tychkov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, al2000arambler.ru, Russia, Samara, Samara state University of Railways,

Silaev ValeryAlekseevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara state University of Railways