Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ методов и средств контроля сопротивления изоляции силовой цепи троллейбуса
1.1 Анализ существующих методов контроля сопротивления изоляции в цепях переменного и постоянного тока 11
1.2 Анализ существующих устройств контроля сопротивления изоляции (токов утечки) троллейбуса 20
1.3 Выводы и постановка задач исследования 34
2. Исследование тока утечки троллейбуса при системе электроснабжения с заземленным отрицательным проводом
2.1 Расчет тока утечки троллейбуса при несинусоидальном напряжении питающей сети
2.2 Расчет тока утечки переходного процесса при СЭС с заземленным отрицательным проводом 67
2.3 Математическая модель для расчета тока утечки троллейбуса при заземленной СЭС 76
2.4 Выводы 88
3. Расчет тока утечки торллеибуса при системе электроснабжения с изолированным отрицательным проводом
3.1 Расчет тока утечки троллейбуса при несинусоидальном напряжении питающей сети 89
3.2 Расчет тока утечки переходного процесса при СЭС с изолированным отрицательным проводом 110
3.3 Математическая модель для расчета тока утечки троллейбуса при изолированной СЭС 120
3.4 Выводы 128
4. Экспериментальное определение параметров объектов исследования и испытания средсв контроля тока утечки
4.1 Определение активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции силового электрооборудования троллейбуса и системы электроснабжения 130
4.2 Регистрация формы напряжения в реальной системе электроснабжения 138
4.3 Практическое установление зависимости характера тока утечки от различных эксплуатационных факторов 141
4.4 Устройство непрерывного контроля токов утечки троллейбуса 145
4.5 Выводы 153
Заключение 154
Литература 157
- Анализ существующих методов контроля сопротивления изоляции в цепях переменного и постоянного тока
- Расчет тока утечки переходного процесса при СЭС с заземленным отрицательным проводом
- Расчет тока утечки троллейбуса при несинусоидальном напряжении питающей сети
- Определение активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции силового электрооборудования троллейбуса и системы электроснабжения
Введение к работе
Троллейбус как вид электрического транспорта нашел широкое применение во всех крупных городах России и интенсивно развивается в странах Западной Европы и Америки благодаря своей высокой экономичности (сравнительно низкое удельное энергопотребление на одного пассажира), маневренности и экологической чистоте. Но не смотря на столь широкое распространение, при эксплуатации троллейбуса имеет место ряд проблем. Одной из самых важных и актуальных в настоящее время является проблема обеспечения электробезопасности, так как она напрямую связана с фактами поражения человека электрическим током при контакте с корпусом троллейбуса. Троллейбус как электротехническая система является уникальным объектом, поскольку питается относительно высоким напряжением и при этом не имеет прямого заземления корпуса. В процессе эксплуатации в силу множества причин со временем происходит ухудшение свойств изоляции электрооборудования, что вызывает появление опасного для человека потенциала на корпусе троллейбуса. Это обстоятельство еще более усугубляется низкими темпами обновления троллейбусного парка страны, в результате чего срок эксплуатации троллейбусов превышает предельные нормативы [1].
В 1999 году при министерстве транспорта Российской Федерации создана межведомственная комиссия, которая обязала все электротранспортные предприятия усилить контроль за состоянием изоляции электрооборудования силовых и вспомогательных цепей троллейбуса. Представители министерства транспорта России в группе GRSG,WP-29, КВТ ЕЭК ООН вышли с предложением о разработке «Требований безопасности троллейбусов», основные положения которых касаются электробезопасности [2, 3].
Как показывают исследования [4-9], комплексным критерием состояния изоляции электрических цепей троллейбуса является ток утечки [10, 11], т.е.
5 ток, протекающий через тело человека, стоящего на земле и имеющего контакт
с корпусом троллейбуса, токоприемники которого установлены на контактные
провода. При этом принято, что сопротивление человека равно 1 кОм.
Предельно допустимый ток через тело человека регламентирован ГОСТ
12.1.038-82 «Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность.
Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов».
Согласно Типовой инструкции по обеспечению электробезопасности троллейбусов, утвержденной министерством транспорта РФ в 1996 г. постоянная составляющая тока утечки при номинальном напряжении контактной сети (600 В) не должна превышать при заземленной системе электроснабжения (СЭС) 3.0 мА, а при изолированной системе 1.5 мА. Традиционные методы определения тока утечки, базирующиеся на представлении питающего троллейбус напряжения как постоянного, не учитывают влияния на свойства изоляции переменной составляющей выпрямленного напряжения, которая в принятых способах получения питающего напряжения имеет существенное значение. Таким образом, при рассмотрении свойств изоляции необходимо учитывать наряду с активным сопротивлением изоляции емкостную составляющую, которая проявляется под воздействием переменной составляющей питающего напряжения.
При прикосновении человека к корпусу троллейбуса, находящегося под напряжением, качественно изменяется структура схемы замещения, возникшей системы (человек - троллейбус). Возникает переходный процесс, во время которого, как известно из общей теории электротехники [12, 13], при наличии реактивных элементов, амплитуды электрических величин в системе могут существенно превышать номинальные значения. В связи с этим учет влияния переходного процесса является актуальной задачей.
Основой обеспечения электробезопасности пассажиров и обслуживающего персонала является поддержание на заданном уровне технического состояния изоляции электрического оборудования троллейбуса. Учитывая, что в эксплуатации происходит старение и разрушение изоляции,
7 разработка методики непрерывного контроля тока утечки троллейбуса и
создание на ее основе устройства непрерывного контроля тока утечки
троллейбуса. В соответствии с поставленной целью в диссертации требовалось
решить следующие задачи:
Систематизировать и выполнить анализ существующих методов и средств контроля тока утечки троллейбуса.
Исследовать процессы в цепях силового электрооборудования троллейбуса при питании его выпрямленным напряжением, включающим переменную составляющую с учетом реактивных сопротивлений изоляции.
Разработать расчетные схемы замещения изоляции с учетом реактивных составляющих для системы объектов, включающей СЭС (заземленную или изолированную), подвижную единицу троллейбуса и человека при его контакте с корпусом троллейбуса (далее - системы).
Провести анализ происходящих в рассматриваемых системах электромагнитных процессов и получить зависимости тока утечки через человека во времени в квазиустановившихся режимах и при возникновении переходных процессов в момент контакта человека с корпусом троллейбуса.
Разработать методы расчетов тока утечки троллейбуса при различных СЭС.
Разработать устройство непрерывного контроля и компенсации тока утечки троллейбуса на новых технологических принципах как при заземленной, так и при изолированной СЭС.
Методы исследования. В основу теоретических исследований положен математический аппарат с применением методов гармонического анализа и математической статистики. Исследование параметров элементов изоляции высоковольтных цепей троллейбуса и СЭС выполнено с применением теории функций комплексной переменной с классическим анализом несинусоидальных цепей. Для обработки и анализа экспериментальных результатов использовались методы математического моделирования, математической статистики, планируемого эксперимента, фотографирования и синхронной
8 записи параметров на магнитограф. Достоверность результатов теоретических
исследований обеспечивалась параллельными расчетами различными методами
и сравнением их с результатами, полученными экспериментальным путем.
Научная новизна работы состоит в том, что на основе классических законов и
уравнений электротехники, современных методов анализа и инструментальных
средств разработана новая методика расчета тока утечки троллейбуса,
позволяющая достоверно представлять его характер и форму в переходном и
квазиустановившемся процессах и характеризовать степень
электробезопасности троллейбуса в реальных изменяющихся условиях
эксплуатации:
Получены схемы замещения силовых цепей троллейбуса и СЭС с учетом емкостных составляющих сопротивления изоляции.
Разработан метод расчета тока утечки, учитывающий реальный характер питающего напряжения и выполнен анализ факторов, определяющих требуемую степень электробезопасности.
Для синтезированных схем замещения изоляции выполнено имитационное моделирование в среде «MATLAB» для определения тока утечки в переходных и квазиустановившихся режимах.
На защиту выносятся следующие основные положения:
схемы замещения изоляции силовых цепей электрооборудования троллейбуса и системы электроснабжения с учетом емкостных составляющих сопротивления изоляции;
результаты анализа электромагнитных процессов в исследуемой цепи «система электроснабжения - троллейбус - человек» с учетом пульсирующего характера питающего напряжения и комплексного характера сопротивления изоляции;
комплексные методы расчета тока утечки для квазиустановившегося и переходного процессов в рассматриваемых системах при заземленной и изолированной СЭС;
- имитационное модели систем, обеспечивающие наглядное представление
характера тока утечки для моментов времени: до прикосновения, во время и после прикосновения человека к корпусу троллейбуса;
- устройство непрерывного контроля тока утечки троллейбуса (УКТУ - 1)
на основе метода контроля и компенсации тока утечки при использовании в
качестве измерительной схемы несбалансированного моста.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 105 наименований и трех приложений. Общий объем 195 страниц машинописного текста, в том числе 156 страница основного текста, 102 рисунка, 12 таблиц. Содержание работы.
В первой главе рассмотрены параметры изоляции, по которым осуществляется контроль за ее состоянием. Произведен анализ существующих методов и средств контроля тока утечки и сопротивления изоляции троллейбуса. Во второй главе на основе уточненной схемы замещения изоляции получены расчетные зависимости тока утечки в квазиустановившемся режиме, расчетные зависимости тока утечки в переходном режиме в момент контакта человека с корпусом троллейбуса и создана математическая модель для анализа этих процессов в системе электроснабжения с заземленным отрицательным проводом.
В третьей главе на основе уточненной схемы замещения изоляции получены расчетные зависимости тока утечки в квазиустановившемся режиме, расчетные зависимости тока утечки в переходном режиме в момент контакта человека с корпусом троллейбуса и создана математическая модель для анализа этих процессов в системе электроснабжения с изолированным отрицательным проводом.
В четвертой главе экспериментальным образом определены и обработаны величины активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции. Получены картины формы питающего троллейбус напряжения при различном характере нагрузки, в различных СЭС и картина потенциала на корпусе
10 троллейбуса при включении различных потребителей. Разработана методика и
проведена проверка работоспособности разработанного устройства в
лабораторных и эксплуатационных условиях с имитацией токов утечки.
В заключении перечислены основные результаты и выводы диссертационной
работы.
В приложениях приведены ряд характеристик исследуемых величин,
полученных при имитационном моделировании процессов в системах,
систематизированные результаты экспериментальных исследований
параметров систем и акты внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
докладывались и обсуждались на межвузовской научной студенческой
конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 1998),
седьмой международной научно-технической конференции студентов и
аспирантов (Москва, 2001), научно-технической конференции профессорско-
преподавательского состава и инженерно-технических работников речного
транспорта и других отраслей (Новосибирск, 2001), международной научно-
технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии»
(Томск, 2001), расширенном научно-техническом семинаре
электромеханического факультета НГТУ (2002), научно-технических семинарах кафедры «Электрический транспорт» НГТУ (1999 - 2002).
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 10 печатных работах. Результаты научно-исследовательских разработок изложены в 4 отчетах по НИР.
Анализ существующих методов контроля сопротивления изоляции в цепях переменного и постоянного тока
Процессы, протекающие в изоляции под воздействием различных эксплуатационных факторов, приводят к ее старению. Следствием старения изоляции являются отказы, которые выражаются в снижении электрической прочности. Старение представляет собой широкий класс процессов, развивающихся во времени и приводящих к изменению состояния объекта, которое отражается в ухудшении его свойств [20-22].
Для исследования изоляции электрооборудования существуют различные, отличающиеся друг от друга способы, зависящие от целей и условий этих исследований. Отличие методов исследования определяет также и характер возможных измерений. Состояние изоляции можно определить только на основе комплекса разных и одновременно производимых испытаний [23, 24].
Прежде всего, рассматривая методы контроля изоляции необходимо упомянуть неэлектрические методы [25, 26]. Визуальный осмотр является важным вспомогательным средством исследования изоляции. Он направлен на обнаружение механических повреждений, поверхностных изменений и поверхностных разрядов [27, 28]. Однако, визуальный осмотр основывается на субъективном подходе, поэтому его результаты не могут быть признаны достоверными. В определенных случаях можно сделать вывод о дефектах изоляции по тепловому режиму. У кабелей вблизи места самого интенсивного разряда температура оболочки выше. Для исследования изоляции кабелей можно использовать режим давления. При наличии внутренних разрядов давление газа внутри полостей изменяется, парциальное давление кислорода у кабелей падает. Этим методом можно определить напряжение начала ионизации. Для производственного контроля некоторых типов изоляции хорошие результаты дает ультразвуковая дефектоскопия. Метод основан на том, что скорость распространения ультразвука зависит от плотности материала и модуля упругости. Исследование распространения ультразвука в твердых материалах дает возможность определять наличие воздушных включений. Для исследования изоляции из органических материалов ценным вспомогательным средством является фотографирование в инфракрасных лучах, дающее возможность видеть следы токов проводимости и разрядов под поверхностью материала [27]. Для контроля изоляции электрооборудования возможно применение электромагнитного излучения. Изоляцию просвечивают потоком электромагнитного излучения с определенной длиной волны, для которой материал изолятора является прозрачным. С помощью приемника излучения измеряют интенсивность излучения, рассеянного под одним из углов, в диапазоне 10... 170 и определяют величину скорости изменения интенсивности рассеяния в начале и в процессе эксплуатации изоляции при номинальном рабочем напряжении и сравнивают последующие значения производной с начальным. При возрастании значения производной в 5 раз и более по сравнению с ее начальным значением делают вывод о появлении в изоляции критических нарушений [28]. Определение электрической прочности Действительное определение электрической прочности вообще невозможно ввиду неизбежного при этом разрушения изоляции. Убедиться в том, выдержит ли изоляция определенное напряжение без повреждений, можно путем подачи на него еще большего напряжения. В современной практике принято производить три вида испытаний повышенным переменным напряжением и испытания постоянным напряжением. Импульсные испытания соответствуют воздействиям, имеющим место при атмосферных и коммутационных перенапряжениях. Импульсное напряжение характеризуется временем фронта волны и временем спада импульса до половины. Для лучшего приближения к условиям эксплуатации прибегают к комбинированным испытаниям, когда импульсное напряжение накладывают на переменное напряжение, соответствующее эксплуатационному, или на постоянное напряжение равное амплитудному значению переменного напряжения. Наиболее широкое распространение получили испытания переменным напряжением. В настоящее время применяют два метода: испытания при плавном подъеме напряжения и испытания по ступенчатой программе. При первом способе напряжение постепенно повышают до определенного значения, затем напряжение снимают. При втором способе напряжение поднимают ступенями по определенной программе до установившейся величины. Выбор испытательного напряжения зависит не только от технических, но и от экономических факторов. Чем выше напряжение, тем эффективнее испытание и тем большее число слабых мест может быть найдено. В то же время увеличение напряжения влечет за собой увеличение вероятности пробоя исправной изоляции. До какого уровня напряжения целесообразно проверять надежность изоляции, зависит от способа эксплуатации, от величин ожидаемого перенапряжения, от состояния изоляции. Момент повреждения определяется либо на основании непосредственных наблюдений, либо по резкому увеличению тока и уменьшению напряжения. В настоящее время широко применяются испытания постоянным напряжением. Главным преимуществом таких испытаний является то, что емкостной ток в диэлектрике отсутствует. Против испытаний постоянным напряжением возникают возражения в том, что распределение напряжения при испытаниях постоянным напряжением определяет проводимость. В случае последовательного соединения элементов изоляции может возникнуть опасность повышения напряжения на части изоляции с малой проводимостью. Если последовательно с вышедшим из строя элементом изоляции включено большое сопротивление, то повреждение при испытаниях может не обнаружиться [24-26, 29-31].
Расчет тока утечки переходного процесса при СЭС с заземленным отрицательным проводом
Система питания с изолированным отрицательным проводом применяется для электроснабжения только троллейбусных линий. Стремление решить проблему защиты электрооборудования от малых токов короткого замыкания снижением токов однополюсного замыкания на землю является одной из причин распространения данной системы. Не менее важным является то обстоятельство, что применение системы позволяет значительно повысить уровень электробезопасности всех лиц, имеющих контакт с корпусом троллейбуса или с находящимися под напряжением элементами оборудования системы. Изоляция отрицательного полюса системы от земли, кроме того, вносит следующие дополнительные преимущества в работу устройств электроснабжения троллейбуса [4]: - существенно выравнивается режим работы изоляции полюсов СЭС по отношению к земле; - повышается общий уровень эксплуатации системы питания троллейбуса ввиду возможности более тщательного решения вопросов профилактики состояния изоляции и освобождения персонала от необходимости устранения значительной доли аварий, возникающих в заземленных системах; - максимально используется в целях электробезопасности защитные свойства изоляции, как цепей троллейбуса, так и питающих кабелей контактной сети; - снижаются значения блуждающих токов. В СЭС с изолированным отрицательным проводом практически всегда используется схема сигнализации о состоянии сопротивления изоляции полюсов СЭС относительно земли [4, 14]. Она состоит из резисторов Rn+, Rn и токового На схеме рис.3.1: U - напряжение в контактной сети; RIL, R2L - активное сопротивление изоляции положительного и отрицательного полюса контактной сети относительно земли; RiK, R2K - активное сопротивление изоляции положительных и отрицательных цепей силового электрооборудования троллейбуса; R4 - сопротивление человека; 3 - земля К - корпус троллейбуса; І5 - ток утечки через человека. Сопротивление Rn+ = Rn = 10 кОм. Сопротивление катушки реле Р много меньше 1 кОм и им можно пренебречь. Резисторы Rn+, Rn , R1L, R2L образуют мост, в диагональ которого включено реле Р. при ухудшении изоляции одного из полюсов через реле Р начинает протекать ток и реле срабатывает, включая сигнализацию. Это позволяет изолированной системе электроснабжения обеспечить достаточно надежную защиту кабелей постоянного тока от короткого замыкания на землю. В этом одно из ее преимуществ от заземленной системы. На первый взгляд изолированная система более безопасна для пассажиров и обслуживающего персонала, так как потенциал корпуса троллейбуса значительно ниже, чем при заземленной системе. В действительности при изолированной системе корпус троллейбуса может достаточно часто находиться под полным напряжением, что ведет к достаточно длительному пребыванию участка системы в режиме заземления одного из полюсов или близких к этому режиму. В системе электроснабжения троллейбуса наиболее трудные условия эксплуатации приходятся на изоляцию КС. Неудовлетворительное состояние изоляции контактной сети может также привести к ситуации, при которой корпус троллейбуса может находиться под полным напряжением контактной сети. Следует подчеркнуть, что заземление может произойти на любом из полюсов, что вносит неопределенность в оценку появления опасных токов утечки. Для численного определения тока утечки целесообразно воспользоваться схемой замещения изоляции силовых цепей троллейбуса, приведенной на рис.3.1. из которого видно, что ток утечки протекает через сопротивление, включенное в диагональ моста, образованного сопротивлениями изоляции системы электроснабжения и троллейбуса. В этом случае ток утечки может быть определен: Как следует из выражения (3.1) ток утечки при изолированной системе электроснабжения зависит от сопротивления изоляции как положительных, так и отрицательных цепей не только электрооборудования самого троллейбуса, но и СЭС. Несмотря на очевидные преимущества изолированной системы электроснабжения, нельзя не учитывать возможность появления как нисходящего, так и восходящего токов утечки. Установлено, что пульсирующий ток нисходящего направления, т.е. ток, протекающий в направлении «рука - нога», имеет значительно меньшую поражающую способность, чем восходящий ток. В [4, 84 - 86] указано, что минимальное фибрилляционное значение нисходящего тока в 1.5 раза выше минимального значения восходящего тока. По этим причинам пробой цепей отрицательного полюса на корпус троллейбуса будет представлять для пассажиров, стоящих на земле, большую опасность, чем пробой цепей положительного полюса при одном и том же значении тока в обоих случаях. Возможность появления на корпусе троллейбуса опасного потенциала как положительной, так и отрицательной полярности наглядно видно из хараісгеристик, приведенных на рис. 3.2, 3.3.
Расчет тока утечки троллейбуса при несинусоидальном напряжении питающей сети
На основе проведенных в данной главе исследований при СЭС с изолированным отрицательным проводом можно сделать следующие выводы: 1. Показано, что ток утечки зависит помимо характера и формы выпрямленного напряжения, от величин составляющих сопротивлений изоляции как силовых цепей троллейбуса, так и в целом системы электроснабжения с изолированным отрицательным проводом. 2. В работе установлено, что как и при заземленной СЭС, большую роль в формировании формы и амплитудного значения тока утечки играет характер нагрузки, чем больше угол коммутации, тем выше амплитудное значение тока утечки. 3. В результате выполненных исследований доказано, что в квазиустановившемся режиме существенное влияние на результирующую величину тока утечки оказывает ее переменная составляющая, действующее значение которой при определенных условиях превышает нормируемую величину 1.5 мА, в переходном процессе при прикосновении человека к корпусу троллейбуса значение тока утечки многократно превышает предельную величину (в 10...20 раз). В связи с этим необходимо скорректировать нормы и критерии для комплексной оценки тока утечки. 4. Расчетным путем определена зависимость степени электробезопасности от соотношения параметров сопротивления изоляции положительных и отрицательных силовых цепей троллейбуса относительно корпуса и полюсов СЭС относительно земли. Показано, что оптимальным с точки зрения электробезопасности является вариант, когда параметры плечей мостовой схемы замещения изоляции системы сбалансированы таким образом, чтобы обеспечить равенство потенциалов на корпусе троллейбуса и земли. 5. Показано, что при любых соотношениях параметров, СЭС с изолированным отрицательным проводом, является более безопасной, поскольку максимально возможные значения тока утечки возникают при стремлении активной составляющей сопротивления изоляции отрицательного провода СЭС к нулю, т. е. при превращении в СЭС с заземленным отрицательным проводом. В качестве практического доказательства достоверности полученных результатов при исследовании процессов, влияющих на электробезопасность в системе СЭС - подвижной состав троллейбуса и подтверждения принятых решений о значениях параметров системы и степени электробезопасности при различных условиях, были проведены экспериментальные исследования, целью которых являлась проверка пределов диапазона изменений исследуемых величин. Для достижения поставленной цели были проведены поверочные измерения интересующих величин на тяговых подстанциях и подвижном составе троллейбусных депо г. Новосибирска. Одним из определяющих параметров при исследовании процессов в рассматриваемой системе является сопротивление изоляции. Как было показано в главе 2 и на основании данных [18, 19, 27], схема замещения изоляции представляется в виде параллельно соединенных активного сопротивления и емкости, что соответствует физической картине происходящих в ней процессов. Величина активной составляющей сопротивления изоляции достаточно широко исследована [4, 5, 8] и строго регламентирована [10, 11] для каждого из узлов рассматриваемой системы, чего нельзя сказать о емкостной составляющей сопротивления изоляции. Имеющихся в литературе данных о емкостной составляющей [6, 8, 84] недостаточно для того, чтобы объективно оценить диапазон ее значений для отдельных узлов системы различной степени изоляции. Для получения данных о значениях активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции силового электрооборудования троллейбуса относительно корпуса, силовые цепи троллейбуса (рис. 4.1) были разделены на характерные участки: цепи тягового привода и цепь вспомогательного оборудования. Упрощенная силовая схема троллейбуса ЗИУ 682Г В свою очередь, цепи тягового привода разделялись на отдельные, более мелкие ветви: положительная цепь до якоря ТЭД («Т1(+) - «Я1»), якорь ТЭД («Я1» - «Я2»), цепь пускового реостата («Я2» - «О»), сериесная обмотка возбуждения ТЭД («С1» - «С2»), отрицательная цепь («С2» - Т2(-)»), шунтовая обмотка возбуждения ТЭД («Ш1» - «Ш2»). Цепь вспомогательного оборудования выделялась элементами ПП6 и ВВЦ2. Помимо этого, измерениям подвергалась полностью собранная силовая цепь троллейбуса относительно корпуса. Определение значений активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции проводились мегомметром ЭС 0202/2 - Г при уровне испытательного напряжения 1000 В согласно рекомендациям [11] и измерительным мостом «измеритель L, R, С цифровой» Е 8-7 (частота измерения 1000 Гц). Для получения репрезентативной оценки исследуемых параметров из всего парка машин Заельцовского троллейбусного депо №3 г. Новосибирска выбран ряд машин с различными сроками эксплуатации и принципами регулирования напряжения ТЭД. Результаты измерений полностью собранных высоковольтных цепей ряда троллейбусов приведены в табл. 4.1.
Определение активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции силового электрооборудования троллейбуса и системы электроснабжения
С удовлетворительной достоверностью рекомендованные величины активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции высоковольтных цепей системы СЭС - ПС троллейбуса, использованные для теоретических исследований процессов в системе, подтверждаются результатами эксперимента. При этом значение емкостной составляющей увеличивается с ростом срока службы изоляции.
Экспериментально показано, что при изменении формы выпрямленного питающего напряжения в квазиустановившемся режиме изменяется характер и величина тока утечки троллейбуса.
Зафиксировано, что уровень напряжения отрицательного провода при изолированной СЭС может быть значительно ниже потенциала земли, что вызывает более опасный с точки зрения действия на человека, восходящий ток утечки. Форма тока утечки содержит тот же гармонический состав переменной составляющей, что и у питающего напряжения.
На основании анализа современного состояния и перспектив развития городского электротранспорта и троллейбуса в частности, а также задач повышения безопасности его работы, обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы - повышение надежности электрооборудования троллейбуса в плане электробезопасности посредством создания новых и совершенствования существующих методов и средств диагностики состояния изоляции.
Для достижения поставленной цели проведены теоретические и экспериментальные исследования, разработаны и обоснованы методы, алгоритмы и технические средства диагностирования изоляции высоковольтного оборудования троллейбуса с реостатно-контакторной системой управления. Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем: 1. Установлено, что при контроле и определении параметров электробезопасности электрического транспорта известными методами и средствами имеет место недопустимо высокая погрешность. На основе анализа конкретных причин погрешностей показано, что повышение точности может быть достигнуто путем уточнения параметров схем замещения при рассмотрении процессов, протекающих в системе «троллейбус-человек», с учетом характера питающего троллейбус напряжения. 2. Обосновывается необходимость, при определении тока утечки, являющегося комплексным параметром электробезопасности троллейбуса, учитывать пульсирующий характер питающего напряжения и емкостную составляющую сопротивления изоляции силовых электрических цепей троллейбуса и СЭС. В работе рассмотрены расчетные схемы замещения, учитывающие комплексный характер сопротивления изоляции. 3. Теоретически и экспериментально доказано, что ток утечки необходимо рассматривать состоящим из постоянной и переменной составляющих. Установлено, что при реальных параметрах и комплексном характере сопротивления изоляции высоковольтных цепей троллейбуса и СЭС, действующее значение переменной составляющей тока утечки может в несколько раз превышать величину постоянной составляющей. 4. На основе методов гармонического анализа несинусоидальных цепей и применении теории функций комплексной переменной исследован характер и определены величины токов утечки троллейбуса в зависимости от изменения параметров сопротивления изоляции положительных и отрицательных высоковольтных цепей при эксплуатации троллейбуса в заземленной и изолированной СЭС. Показано, что в изолированной СЭС за счет введения параметров сопротивления изоляции полюсов СЭС, величина действующего значения тока утечки ниже, чем в заземленной СЭС при одинаковых прочих параметрах схемы замещения. 5. Исследовано влияние индуктивного характера нагрузки на форму и амплитудные значения токов утечки. Сделан вывод, что увеличение суммарной индуктивности цепей троллейбуса ведет к изменению формы питающего напряжения, и, как следствие, пропорциональному увеличению максимального значения переменной составляющей тока утечки. 6. На основе схем замещения изоляции, как высоковольтных цепей троллейбуса, так и СЭС, учитывающих емкостную составляющую сопротивления изоляции и переменную составляющую выпрямленного напряжения, разработана математическая модель, реализованная в пакете MATLAB, которая отображает процессы в системе «человек-троллейбус» до касания, в момент и после соприкосновения человека с корпусом троллейбуса. 7. Доказано, что емкостная составляющая сопротивления изоляции обуславливает возникновение переходных процессов тока утечки в момент контакта человека с корпусом троллейбуса. Получены расчетные характеристики тока утечки, свидетельствующие о том, что амплитудное значение переходного процесса тока утечки может многократно превышать нормируемую величину при определенном соотношении параметров схемы. 8. Проведенные исследования позволили создать устройство непрерывного контроля тока утечки и провести его всесторонние как лабораторные, так и линейные испытания, подтвердившие его работоспособность как в заземленной, так и в изолированной СЭС. 9. Выполненные исследования позволили разработать новые и скорректировать действующие инструктивно-нормативные документы, используемые в практической деятельности Управления пассажирских перевозок г. Новосибирска.
