Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы повышения надёжности изоляции тяговых силовых цепей 18
1.1. Факторы, влияющие на изменение надёжности изоляции силовых цепей в процессе изготовления и эксплуатации 18
1.2. Внешние факторы, воздействующие на изоляционные конструкции силовых цепей 24
1.3. Методы и технологии совершенствования изоляционных конструкций ТЭД 31
1.4 Перспективы совершенствования систем охлаждения 37
1.5. Системы защиты силовых цепей локомотивов 39
1.6. Системы мониторинга и диагностики состояния изоляции 41
Выводы по главе 1 45
2. Моделирование факторов старения изоляционных конструкций и их надёжности в эксплуатации 47
2.1 Моделирование тепловых процессов в изоляции обмоток ТЭД 47
2.2. Моделирование предпосылок пробоя изоляции ТЭД в эксплуатации в результате действия перенапряжений 64
2.3. Процесс старения изоляционных конструкций ТЭД под действием частичных разрядов 72
2.4. Модели надёжности изоляционных конструкций ТЭД локомотивов 79
2.5. Математическая модель отказа изоляции ТЭД на различных этапах их эксплуатации 84
2.6. Моделирование процессов восстановления ТЭД подвижного состава 94
Выводы по главе 2 111
3. Экспериментальные исследования диэлектрических характеристик изоляционных конструкций и надёжности ТЭД 113
3.1. Исследования электрической прочности корпусной изоляции катушек якорей ТЭД 114
3.2. Исследования электрической прочности корпусной изоляции коллекторов ТЭД 124
3.3. Исследования электрической прочности корпусной изоляции обмоток якорей 125
3.4. Исследования диэлектрических характеристик корпусной изоляции якорей ТЭД 135
3.5. Зависимость диэлектрических характеристик изоляции якорей ТЭД комплексного действия температуры и напряжения 148
3.6. Исследования эксплуатационной надёжности корпусной изоляции якорей ТЭД тепловозов типа ТЭ10 153
Выводы по главе 3 155
4. Мероприятия и предложения по повышению надёжности изоляции силовой цепи локомотивов 157
4.1. Предпосылки разработки универсальной системы охлаждения тяговых электрических машин локомотивов 157
4.2. Система охлаждения ТЭД электровозов В Л 10, (В Л 1ОУ) 160
4.3. Система охлаждения ТЭД тепловозов 2 ТЭ 116 173
4.4. Система контроля токораспределения по ТЭД локомотивов 177
4.5. Разработка систем защиты силовых цепей от коротких замыканий на корпус 187
4.6. Разработка диагностических устройств, применяемых при изготовлении и ремонте ТПС 195
4.7. Расчётная схема для определения норм испытательных напряжений корпусной изоляции 201
4.8. Прикладные расчёты на основе моделей восстановления ТЭД 215
Выводы по главе 4 225
5. Экономическая эффективность предложенных разработок 227
5.1. Экономический эффект от внедрения оптимальных норм испытательных напряжений и систем защиты корпусной изоляции силовых цепей 227
5.2. Экономический эффект от внедрения усовершенствованной системы охлаждения ТЭД 231
5.3. Экономический эффект от внедрения системы диагностирования состояния качества изоляции 232
5.4. Экономический эффект от внедрения диагностического устройства токораспределения по ТЭД локомотивов 235
Выводы по главе 5 237
Заключение 238
Список использованных источников 242
Приложения I 264
Приложения II 291
- Факторы, влияющие на изменение надёжности изоляции силовых цепей в процессе изготовления и эксплуатации
- Моделирование тепловых процессов в изоляции обмоток ТЭД
- Исследования электрической прочности корпусной изоляции катушек якорей ТЭД
- Система охлаждения ТЭД электровозов В Л 10, (В Л 1ОУ)
Введение к работе
Актуальность работы. Проблеме улучшения тяговых энергетических характеристик локомотивов в системе эксплуатации железнодорожного транспорта придаётся первостепенное значение. В соответствии с «Энергетической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» III, стратегической задачей является оздоровление локомотивного парка через заводские ремонты и модернизацию энергопотребляющих систем. При этом планируется проведение модернизации 35+38 % парка электровозов и 45+48 % тепловозов. Энергопотребляющими системами локомотивов, в первую очередь, являются тяговые силовые цепи и вспомогательное оборудование, обеспечивающее их работу. Анализы технического состояния локомотивного парка страны, проводимые ежегодно департаментом локомотивного хозяйства, показывают, что наименее надёжными узлами силовых цепей локомотивов являются электрическая аппаратура (28,7 % от всех видов неплановых ремонтов) и изоляционные конструкции тяговых электродвигателей (ТЭД). Количество повреждений изоляции обмоток на 1 млн. км пробега современных ТЭД НБ-514 электровозов переменного тока в 2002 г. составило 2,35 случая. Для ТЭД ЭД118А тепловозов типа ТЭ 10 этот показатель составляет в среднем 4,2 случая. Поэтому проблеме повышения надёжности изоляции тяговых силовых цепей всегда уделялось и уделяется повышенное внимание. До недавнего времени внимание проектных организаций и заводов-изготовителей было, в основном, сосредоточено на повышении качества изоляционных материалов и пропитывающих составов обмоток тяговых электродвигателей. В настоящее время, наряду с этими работами, проводятся серьёзные комплексные проработки с изменением систем охлаждения силовых цепей и их защиты.
Накопленные к настоящему времени экспериментальные, и теоретические данные позволяют с достаточной степенью вероятности
высказать следующее мнение о причинах неисправностей силовых цепей локомотивов, имеющих место в эксплуатации.
К таким причинам, в первую очередь, относятся: температурные воздействия на изоляцию обмоток при выходе из предельно допустимых зон работы ТЭД при поездной работе; электрические перенапряжения, возникающие в силовых цепях локомотивов при переходных режимах; постепенное старение изоляции в результате перечисленных факторов и механических нагрузок на их изоляционные конструкции в эксплуатации при действии в пустотах изоляции частичных разрядов. При этом выход из строя изоляционных конструкций силовых цепей происходит тем быстрей, чем ниже их начальная электрическая прочность, определяемая качеством изоляционных материалов и уровнем технологических процессов изготовления этих конструкций, и менее совершенна конструкция устройств их охлаждения и защиты. Начальная электрическая прочность изоляционных конструкций закладывается уже на первых позициях технологического процесса их изготовления и определяется уровнем согласованных между «поставщиком» и «заказчиком» испытательных пробивных напряжений, регламентированных ГОСТ 2581-81 121 для уже готовой продукции. Отсутствие научно-обоснованного метода выбора норм испытательных напряжений на промежуточных и конечных позициях технологического процесса изготовления приводит к снижению минимальной электрической прочности изоляционных конструкций и не позволяет учитывать повышение максимальных её значений при модернизациях их конструкций и технологий изготовления. Неравномерное токораспределение в силовых цепях тепловозов и отсутствие устройств для его контроля приводит к сужению предельно-допустимых зон длительной работы ТЭД. Отсутствие надёжных методов дефектировки изоляционных конструкций при их ремонтах приводит к появлению на эксплуатирующихся локомотивах силовых цепей с заниженным ресурсом. Отсутствие на локомотивах автоматических систем регулирования расхода охлаждающего воздуха с обратной связью по температуре изоляции обмоток
электрических машин приводит к снижению их надёжности и перерасходу энергии на охлаждение. Защита изоляционных конструкций силовых цепей от их перегрева свыше допустимых пределов на локомотивах не предусмотрена, и существующие системы защиты от протекания по силовым цепям повышенных токов и токов короткого замыкания на корпус являются по сути не защищающими, а регистрирующими, причём наличие в принципиальных схемах силовой цепи тепловозов контактной точки с корпусом локомотива обуславливает появление в переходных режимах напряжений, значительно больших номинальных.
Таким образом, до настоящего времени не разработаны научно-обоснованные методы выбора норм испытательных напряжений на промежуточных и конечных позициях технологического процесса изготовления изоляционных конструкций ТЭД. Отсутствуют: устройства контроля токораспределения в силовых цепях; автоматические системы с плавным регулирования расхода охлаждающего воздуха, с обратной связью по температуре изоляции обмоток электрических машин; системы защиты изоляционных конструкций силовых цепей от перегрева свыше допустимых пределов, исключающие в них перенапряжения и токи короткого замыкания. Методы дефектировки изоляционных конструкций якорей электрических машин, поступающих в ремонт, не учитывают их текущего состояния. Поэтому создание технологии испытаний на диэлектрическую прочность изоляционных конструкций силовых цепей, учитывающих прочностные свойства, показатели надёжности в эксплуатации и экономические риски поставщиков и заказчиков, разработка метода многопараметрической оценки диэлектрической прочности изоляционных конструкций, позволяющего определять текущее состояние корпусной изоляции якорей ТЭД с целью идентификации вида и объёма ремонта, новых принципов построения автоматизированных систем охлаждения и их защиты, с учётом фактического состояния изоляции обмоток электрических машин и обратной связью по температуре с контролем
токораспределения в параллельных силовых цепях являются актуальными проблемами, имеющими важное народно-хозяйственное значение.
Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР, согласно: «Программе реализации основных направлений развития и социально - экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года» (утверждена указанием МПС от 04.03. 1997 г. № А - 276 - у); «Перечню актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта для разработки их докторантами, аспирантами и сотрудниками ВУЗов отрасли в 2001 - 2002 г.г.» (Утвержден указанием МПС от 17.11.2000 г. № М - 2775 у); «Перечню проблем железнодорожного для первоочередного финансирования научных исследований» (утверждён указанием МПС от 26.12.2002 г. № Я - 1271 у); «Концепции многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов (разработана в соответствии с указанием МПС от 29.11.2002 г. № 191).»
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является научное обоснование и создание новых методов, способов, технических решений и технологических процессов, повышающих надёжность изоляционных конструкций тяговых силовых цепей локомотивов и снижающих расходы на их эксплуатацию и ремонт.
Для достижения данной цели был поставлен комплекс задач.
1. Проведение анализа современного состояния научно-технической
проблемы повышения надёжности изоляционных конструкций тяговых
силовых цепей локомотивов и снижения расходов на их эксплуатацию и ремонт
с целью выявления основных факторов, влияющих на их ресурс и повышенный
расход энергии.
2. Разработка ряда математических моделей, описывающих процессы,
теплового и электрического нагружения, приводящих к старению, изменению
надёжности и сроков восстановления изоляционных конструкций ТЭД, с целью
определения направлений исследований и разработки методов, позволяющих
уменьшить температурные и электрические нагрузки и повысить надёжность изоляции силовых цепей в эксплуатации.
Проведение серий экспериментальных исследований прочностных диэлектрических характеристик и изоляционных конструкций ТЭД в условиях изготовления и ремонта и исследование их надёжности в эксплуатации, с целью разработки научно обоснованных методов, повышения надёжности силовой цепи локомотивов на основе аналитических и экспериментальных разработок.
Разработка научно обоснованных технических решений и технологических процессов с целью повышения надёжности силовых цепей локомотивов на основе предложенных методов, способов и технических решений .
Выполнение технико-экономических исследований повышения надёжности тяговых силовых цепей и экономичности их систем охлаждения с целью экономического обоснования предложенных технических решений.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные
исследования базируются на применении основных положениях теорий: вероятностей, математической статистики, надёжности и восстановления, автоматического регулирования, планирования экспериментов, ошибок. Методология исследования, на теоретическом, и эмпирическом уровнях работы характеризуются системным подходом к изучаемым изменениям надёжности изоляции тяговых силовых цепей локомотивов под воздействием факторов изготовления и эксплуатации, базирующимся на вышеупомянутых теориях и индуктивным и дедуктивном методах.
Научная новизна диссертации заключается в разработке научно-обоснованных:
-обобщённых математических моделей процессов теплового и электрического старения изоляции, дополнительно учитывающих несоответствие тепловыделения, теплосъёма и перенапряжений в изоляционных конструкциях силовых цепей, что позволило получить
аналитические зависимости, характеризующие температурные и электрические нагрузки на изоляционные конструкции силовых цепей в эксплуатации.
-метода расчёта межремонтных сроков эксплуатации ТЭД, и их запаса, позволяющего устанавливать периодичность восстановления прочностных свойств их изоляционных конструкций, с учётом видов ремонтов и изменения показателей их надёжности в эксплуатации;
-метода определения величин испытательных напряжений на промежуточных и конечных позициях технологического процесса изготовления изоляционных конструкций, позволяющего объективно учитывать модернизацию изоляционных конструкций и технологию их изготовления, вероятности выхода их из строя в процессах изготовления, эксплуатации и экономические потери поставщика и заказчика электротехнической продукции;
-метода многопараметрической оценки диэлектрической прочности
изоляционных конструкций, позволяющего определять текущее состояние
корпусной изоляции якорей ТЭД с целью идентификации вида и объёма
ремонта; ?
-метода синтеза автоматизированных систем защиты и охлаждения, позволяющих повысить надёжность изоляционных конструкций и экономичность вспомогательного оборудования, основанного на косвенном определении температуры изоляции обмоток ТЭД, посредством измерения величины конструктивной электрической ёмкости силовой цепи и использования её в схемах управления этих систем.
Практическую ценность работы составляют:
-метод определения величин испытательных напряжений на промежуточных и конечных позициях технологического процесса изготовления изоляционных конструкций, позволяющий повысить минимальную величину электрической прочности корпусной изоляции якорей ТЭД и в целом силовой цепи с U=2,9 кВ до U=5,l кВ;
-метод расчёта межремонтных сроков эксплуатации ТЭД, и их запаса, позволяющий прогнозировать сроки их безотказной работы и заблаговременно обеспечивать их неснижаемый запас на эксплутационных предприятиях;
-разработанная технология определения текущего состояния корпусной изоляции якорей ТЭД, позволяющая определять уровень испытательного напряжения при её входном контроле способом разрушающих испытаний, после приложении которого становится очевидным объёма ремонта (средний или капитальный);
-разработанная схема защиты силовых электрических цепей локомотивов от коротких замыканий и перегревов, позволяющая исключить образование в них импульсов высокого напряжения;
-разработанная система охлаждения ТЭД локомотивов, позволяющая плавно регулировать подачу охлаждающего воздуха в зависимости от температуры изоляции их якорных обмоток в диапазоне от 40 до 140С;
-разработанное бортовое диагностическое устройство для контроля токораспределения, позволяющая методом сравнения бесконтактно определять разность токов в параллельных цепях ТЭД локомотивов.
Реализация результатов работы осуществлена опытным внедрением
разработанной технологии испытаний диэлектрической прочности корпусной
изоляции обмоток ТЭД, повышающей её начальную электрическую прочность,
в соответствии с рекомендацией ЦТ МПС, на Харьковском заводе
«Электротяжмаш» и Производственном Объединении
«Ворошиловградтепловоз». «Способ испытания изоляции» (А. С. СССР № 546830 /3/) внедрен в Бориспольском объединенном авиаотряде. Установка для диагностирования качества изготовления изоляционных конструкций ТЭД внедрена на Ташкентском тепловозоремонтном заводе. Устройство контроля токораспределения в параллельных цепях ТЭД на локомотивах, защищено А. С. (Россия) № 1713510 от 28. 02. 90 п.Системы защиты корпусной изоляции силовых цепей тепловозов, защищены авторскими свидетельствами АС СССР №712887 от 19.01.77г. и АС СССР № 1358030 от 29.10. 84 г. Первое из них
внедрено на Северном горно-обогатительном комбинате Днепропетровской области. Разработанная система охлаждения ТЭД, планируемая к внедрению, защищена патентами РФ на полезную модель № 45057, № 45574 и патентом РФ на изобретение № 2273832 «Способ измерения температуры изоляции обмоток электрических машин». Пакет программ расчёта токов нагрузки ТЭД электровозов типа ВЛ10 и результатов анализа наличной пропускной способности главного хода, технология интенсивной сушки изоляции ТЭД электровозов ВЛ10 и прибор для определения межвитковых замыканий электрических машин внедрены на Куйбышевской железной дороге - филиале ОАО «РЖД».
Результаты работы используются также в учебном процессе СамГАПС при выполнении курсового, дипломного проектирования и чтения лекций по курсам «Основы технологии производства электрического транспорта», «Надёжность электроподвижного состава», «Электрооборудование электроподвижного состава».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на совместном заседании кафедр «Электрический железнодорожный транспорт», «Вагоны» и «Строительные дорожные машины» СамГАПС и кафедре «Локомотивы» РГОТУПС в 2005 г., а также на 20 научно - технических конференциях, в том числе: «Зональной научно-технической конференции Уральского отделения Академии Наук СССР», Курган, 1990 г.; «Межвузовской научно-практической конференции, посвященной 25-летию института (СамИИТа)», Самара, 1998 г.; «Первой международной научно-практической конференция по безопасности транспортных систем», Самара, 1998 г.; Всероссийской научно-техническая конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», Екатеринбург, 2003 г.; региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте», Челябинск, 2004 г.; региональных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы и перспективы развития
железнодорожного транспорта», Самара, 2004 — 2006 г.г.; второй международной научно-практической конференции «Безопасность и логистика транспортных систем», Самара, 2004 г.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 57 печатных работах, в том числе 1 монографии, 27 статьях (из них 10 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 9 описаниях к авторским свидетельствам и патентам Указанные работы опубликованы после защиты автором кандидатской диссертации в 1981 г.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объём работы 318 страниц, в том числе 260 страниц основного текста 49 рисунков, 15 таблиц, 206 наименований источников и 19 приложений на 39 страницах.
Факторы, влияющие на изменение надёжности изоляции силовых цепей в процессе изготовления и эксплуатации
Надёжность силовых цепей, как характеристика качества любого технического объекта, является сложным свойством, зависящим не только от конструкции и применяемых материалов для её изготовления, но и от факторов, воздействующих на неё при изготовлении и эксплуатации. К таким факторам относятся технология изготовления и ремонта, соответствие объёма и норм испытаний эксплуатационным нагрузкам, эффективность применяемых технологий и устройств для контроля качества изготовления и ремонта, эффективность системы охлаждения и устройств защиты, поддерживающих и контролирующих работоспособность изоляционных конструкции силовых цепей в эксплуатации, а также качество их обслуживания и содержания.
В соответствии с определением надёжности /10/, надёжность силовых цепей можно охарактеризовать как её свойство выполнять функции преобразования электрической энергии в тяговое усилие локомотива при сохранении своих эксплуатационных показателей в заданных пределах в течении определённого времени. Под эксплуатационными показателями тяговой силовой цепи в работе подразумеваются её диэлектрические характеристики и, в первую очередь, электрическая прочность её изоляционных конструкций.
Надёжность любого изделия обуславливается его «безотказностью», «ремонтопригодностью», «сохраняемостью» и «долговечностью». При этом под безотказностью изоляции силовых цепей понимается её состояние до момента, когда она пробивается под действием эксплуатационного напряжения. И наоборот, состояние отказа изоляции силовой цепи наступает в момент, когда её диэлектрическая прочность становится равной или меньшей эксплуатационного напряжения. Аналогично под ремонтопригодностью изоляции силовых цепей понимается процесс восстановления её диэлектрических характеристик, в том числе её диэлектрической прочности, до уровня выше действующих в эксплуатации напряжений, в процессе прохождения ремонтов электрооборудования, входящего в силовые цепи, а также вспомогательного оборудования, обеспечивающего его безаварийную эксплуатацию (системы охлаждения и защиты ТЭД). Под сохраняемостью изоляции силовой цепи понимается её свойство сохранять свои диэлектрические характеристики в промежутках моментов эксплуатации: горячем или холодном резерве, транспортировании, отстое и т. п. В свою очередь, под долговечностью изоляции силовых цепей в работе понимается её свойство сохранять высокие диэлектрические характеристики, превышающие эксплуатационные нагрузки в течении запланированного срока эксплуатации подвижного состава, исключая межремонтные периоды. Вопросам повышения надёжности электрооборудования общепромышленного применения посвящены труды таких видных учёных как Разевига Д. В., Бажанова С. А. и Воскресенского В. Ф., Шагалова С. Б., Оржаховского М. Л., Хвальковского А. В., Галушко А. И., Максимовой И. С, Оснач Р. Г., Хазановского П. М. /11-И 6/ и др.
Большой вклад в решение проблемы повышения надёжности электрооборудования локомотивов внесли такие известные учёные как Кузьмич B. Д., Феоктистов В. П., Ротанов Н. А., Находкин М. Д., Винокуров В. А., Исаев И. П.,Гольдберг о. Д., Глущенко М. Д., Идиятуллин Р. Г., Космодамианский А. C, Логинова Е. Ю., Немухин В. Яковлев В. Н., Горбатюк В. А., Пойлов Л. К., П., Виноградов Ю. Н., Соболев В. С.,Сонин В. С.,Дудырев А. К., Дурандин Г. М., Серебряков А. С. и др. Условно, факторы, влияющие на надёжность изоляции силовых цепей в эксплуатации, можно разделить на две составляющие: отрицательные факторы изготовления и эксплуатации, приводящие к снижению надёжности и положительные, приводящие к повышению её надёжности. Классификация факторов, способствующих снижению надёжности изоляции силовых цепей при изготовлении и в эксплуатации, представлена на рис. 1.1, на рис. 1.2. представлены организационно-технические мероприятия, способствующие повышению надёжности изоляции силовых цепей локомотивов. Электрическая прочность применяемых материалов для изготовления изоляционных конструкций силовых цепей имеет значительный запас относительно рабочего напряжения, воздействующего на них в эксплуатации. Однако, в процессе технологических операций изготовления изоляционных конструкций силовых цепей возникает необходимость воздействия на них нагрузок, приводящих к снижению изоляционных прочностных свойств, а следовательно к снижению их надёжности. К воздействиям такого рода, в первую очередь, необходимо отнести механические, тепловые и электрические нагрузки, которые испытывает изоляционные конструкции ТЭД .
Моделирование тепловых процессов в изоляции обмоток ТЭД
Действие схемы заключается в следующем. При замыкании на корпус в минусовой части силовой цепи добавочный резистор Кл в цепь катушки реле заземления не вводится, что позволяет получить максимальную чувствительность. При замыкании на корпус в плюсовой части цепи внутреннее сопротивление схемы увеличивается и чувствительность снижается. Вышеупомянутый добавочный резистор выбирается из условия равенства токов /65/.
Применение реле защиты от заземления РМ-110 с искусственной нулевой точкой и асимметричным делителем напряжения позволило устранить зону нечувствительности схемы защиты в минусовой части силовых цепей тепловозов. Однако наличие контактной точки силовых цепей, гальванически связанной с корпусом локомотива, не устранило возможности образования в них импульсов перенапряжений. Возможность образования автоколебаний в схемах силовых цепей локомотивов была исследована и изложена в литературе /66/.
Системы защиты силовых цепей электровозов от коротких замыканий характерны тем, что наличие контактной точки силовых цепей с корпусом локомотива там объективно обусловлено системой подачи питания на них. Вторым проводом при подаче напряжения контактной сети на силовые цепи является рельс. Подробное описание устройства и принципа работы систем защиты силовых цепей электровозов приведено в работах /67, 68, 69/.
Одним из направлений повышения надёжности работы тяговых силовых цепей является разработка и внедрение систем защиты, которые помимо функций регистрации их аварийного состояния могли бы предупреждать его наступление. Как показали проведенные исследования, изложенные ниже, разработка и внедрение таких систем возможны на основе использования зависимостей конструктивных диэлектрических характеристик тяговых силовых цепей от температуры, напряжения и технического состояния.
Создание систем технического диагностирования является составной частью комплекса работ по обеспечению качества изготовления и эксплуатации подвижного состава. Основная задача технического диагностирования состоит в организации эффективных процессов определения технического состояния его узлов и деталей. Под техническим состоянием объекта, в соответствии с общими положениями о порядке разработки систем диагностирования, регламентированных ГОСТ 20417-81, понимается совокупность свойств технического устройства, установленных технической документацией и подверженных изменению в процессе эксплуатации.
Современный уровень развития локомотивостроения, внедрение в практику изготовления, эксплуатации и ремонта подвижного состава новых конструкционных и изоляционных материалов, сборочных единиц на основе полупроводниковой техники диктуют необходимость применения эффективных диагностических устройств, отвечающих требованиям технического прогресса. Необходимо отметить, что вопросам диагностирования, как стационарного, применяемого в практике изготовления и ремонта подвижного состава, так и бортового, используемого непосредственно в поездной работе, на железнодорожном транспорте уделяется большое внимание. Вопросам диагностирования узлов и деталей локомотивов посвящены труды /66,70- 82/.
Большое внимание в работах вышеуказанных авторов уделено диагностике электрооборудования тяговых силовых цепей. В частности, вопросам вибродиагностики колёсно моторных блоков посвящены работы /66, 80/. Вопросы токораспределения в параллельных цепях ТЭД исследованы в работе /73/. Перспективные направления развития импульсных методов отыскания мест корпусных и витковых замыканий в обмотках якорей ТЭД описаны в работах /76, 85-=-96/. В этих работах излагаются способы и предлагаются конкретные разработки, которые, с учётом мировой новизны
исследований в этой области, позволяют определять не только наличие корпусных замыканий в обмотках якорей машин постоянного тока, но и определять точку в конкретном пазу, в которой это замыкание произошло. Установки конструкции типа ОВЗП-1, в которых для нахождения мест дефектов изоляции используется индуктивный датчик и стрелочный указатель, находят широкое применение при изготовлении и ремонте ТЭД /83, 84/. Установки типа ОВЗП-! являются мощным средством при производстве и ремонте ТЭД локомотивов. Подробно способы, методы и описание конструкций установок для дефектировки корпусных и витковых замыканий в обмотках электрических машин изложены в работах /85 + 96/.
Вопросы старения изоляции и методы оценки степени её старения освещены в работах /77 +- 79/. Показано, что если объективно оценивать состояние изоляции, то можно с меньшими затратами продлить её срок службы в эксплуатации без снижения надёжности её работы. Предложены, в частности, критерии оценки состояния изоляции по характеру процессов её поляризации. О процессах поляризации предлагается судить по напряжению саморазряда и возвратному напряжению. Суть метода заключается в том, что изоляционная конструкция заряжается в течении одной минуты при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции. Затем конструкция отключается от источника постоянного напряжения и её электроды замыкаются накоротко на очень малый промежуток времени, после чего вновь размыкаются. За этот малый промежуток времени конструктивная ёмкость изоляционной конструкции полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный внутри изоляции, остаётся практически неизменным. За счёт этого заряда на электродах изоляционной конструкции медленно начинает возрастать напряжение, которое и называют возвратным. Возвратное напряжение сначала возрастает, достигая максимума, а затем медленно уменьшается. По величине и форме возвратного напряжения судят о состоянии изоляции.
Для реализации описанного метода оценки изоляции разработано устройство, которое включает в себя высоковольтный стабилизированный источник питания с выходным напряжением 1000 или 2500 В, измерители тока и напряжения и два высоковольтных реле, которыми управляет ЭВМ. С помощью этого устройства были замерены возвратные напряжения ТЭД типа НБ-406 до ремонта, а также после среднего и капитального ремонтов. По полученным данным были построены дифференциальные функции распределения ТЭД по величине возвратного напряжения. Полученные кривые позволяют по величине возвратного напряжения оценивать состояние изоляции. Показано, что с увеличением пробега изоляция ТЭД стареет и возвратное напряжение снижается. В частности для ТЭД типа НБ-406, имеющих средний пробег 1220 тыс. км среднестатистическое возвратное напряжение составляет 20 В, что говорит о большой изношенности изоляции. Свойства такой изоляции нельзя восстановить средним ремонтом, и требуется полная замена обмотки.
Исследования электрической прочности корпусной изоляции катушек якорей ТЭД
Исследования мест пробоев корпусной изоляции якорей ТЭД на участках дефектировки по ходу технологического процесса их изготовления, а также на участке разборки показало, что 90 - 95 % замыканий на корпус происходят в обмотке якоря. Места пробоев находятся, как правило, на верхних или нижних углах в местах выхода катушек из пазов. Поэтому основным фактором, определяющим эксплуатационную надёжность якорей ТЭД необходимо считать качество корпусной изоляции их катушек.
В процессе изготовления и эксплуатации изоляция катушки якоря противостоит значительным механическим, тепловым и электрическим нагрузкам. И величина запаса электрической прочности корпусной изоляции катушек обмотки, которую они имеют после изготовления и укладки в якорь определяют, как правило, срок службы электрической машины в целом.
Для оценки запаса электрической прочности были произведены испытания корпусной изоляции отдельно взятых катушек якорей повышенным напряжением промышленной частоты.
В процессе исследований прочностных диэлектрических свойств в общей сложности было испытано /104, 138/ более семи комплектов катушек: более четырёх комплектов катушек якорей ЭД-107 и ЭД-107А (250 катушек, 1 000 сторон) и три комплекта катушек якорей ЭДТ-200 (150 катушек, 600 сторон). Испытания производились в натурных условиях после укладки обеих сторон каждой катушки в пазы необмотанного якоря.
Испытания показали следующее. На величину пробивного напряжения катушек резко влияют способ и время их хранения после наложения изоляции. Так, при испытаниях комплекта катушек якоря ЭД-107 (54 катушки) с корпусной изоляцией на основе микаленты ЛФЧ ББ, изолированных за месяц до испытаний и хранившихся на складе на стеллажах в шесть и более слоев, напряжением промышленной частоты в диапазоне от нуля до семи киловольт было отбраковано более 40% катушек. Испытания проходили по следующей схеме: катушка укладывалась в пазы необмотанного якоря, и затем на ней поднималось напряжение от нуля до семи киловольт ступенями со скоростью 0,5 кВ/с. При подъёме напряжения до 7,0 кВ оно выдерживалось на изоляции катушки в течение одной минуты. Результаты испытаний катушек якорей ЭД-107 представлены в таблице П3.1 Приложения. В то же время, при испытаниях в том же диапазоне напряжений комплекта катушек, изолированных за день до испытаний и хранившихся на стеллажах не более чем в три ряда, не было пробито ни одной катушки. Из остальных проверенных пяти комплектов, хранившихся на складе в течение недели (трёх для якорей ЭД-107, в количестве 162 катушек, и двух для якорей ЭДТ-200, в количестве 100 штук), хранившихся без нарушений правил складирования, т. е. не более чем в три ряда, напряжением 7,0 кВ промышленной частоты, было зарегистрировано всего пять пробоев. Три пробоя изоляции катушек якоря ЭД-107 и два - ЭДТ-200. Изучение мест и характера пробоя показало, что пробои изоляции катушек происходят в подавляющем большинстве случаев, так же как и в эксплуатации, на выходе катушки из паза, на её верхнем или нижнем углу (см табл. П. 3.1). Обработка результатов испытаний, приведенных в табл. П. 3.1, производилась первоначально методами теории экстремальных значений /141, 142/ так как начальное распределение вероятностей пробоя было неизвестно. По указанной методике было построено /138/ распределение минимальных значений пробивных напряжений отбракованных катушек якоря ЭД-107, изолированных микалентой и хранившихся с нарушением правил складирования. Оценка полученных зависимостей показала удовлетворительную согласованность эмпирического и теоретического построений. Проведенные исследования, однако, не давали представления о максимальных значениях электрической прочности корпусной изоляции катушек якорей ТЭД. С целью определения фактической электрической прочности модернизированной корпусной изоляции катушек якорей ТЭД ЭД107А (ЭД118А) и определения закона распределения вероятностей их пробоя, разрушающим испытаниям было подвергнуто 34 катушки якоря, изолированных стеклослюдинитовой лентой ЛС-ПЭ-934-ТП. По полученным данным, приведенным в табл. П 3.2 была построена /138/ гистограмма вероятностей пробоя изоляции катушек якорей ЭД118А (см. рис. 3.1). Для проверки гипотезы о соответствии полученного распределения нормальному было произведено нанесение эмпирического распределения вероятностей пробоя изоляции катушек на вероятностную бумагу нормального закона распределения. Эта проверка показала высокую сходимость полученного распределения с нормальным законом (см. рис. 3.2).
Система охлаждения ТЭД электровозов В Л 10, (В Л 1ОУ)
В главе 2 было показано, что одной из основных причин, снижающих ресурс ТЭД локомотивов в эксплуатации, являются высокие температурные нагрузки их изоляционных конструкций. При этом было показано, что в номинальных режимах работы производительность как тепловозных, так и электровозных систем вентиляции вполне достаточна. Тепловые удары по изоляционным конструкциям имеют место при сочетании низких скоростей вентиляторов охлаждения и высоких токов через обмотки ТЭД. Такие режимы работы объективно возникают в режимах трогания поезда с места, либо при срабатывании систем защиты силовых цепей локомотива. В этот момент происходит «провал» скорости, для ликвидации которого необходимо увеличивать токи через ТЭД при низких скоростях вентиляторов охлаждения, обусловленных конструкцией систем охлаждения локомотивов. Так как зачастую трогание поезда с места и набор скорости происходит уже с подогретого состояния изоляции обмоток ТЭД, то тепловые удары по ней неизбежны.
Общим недостатком существующих систем охлаждения локомотивов является то, что их производительность напрямую не связана с температурой изоляционных конструкций ТЭД. Скорости вращения вентиляторов задаются либо в зависимости от режима работы дизель-генераторной установки /63, 152/, либо от субъективной оценки ситуации с нагревом изоляции обмоток ТЭД машинистом /67/.
В настоящее время Новочеркасским электровозостроительным заводом производится модернизация системы охлаждения электровозов В Л 10 У, предусматривающая автоматическое переключение ступеней скорости вентиляторов в зависимости от токовой нагрузки ТЭД /57 - 59/. Предлагаемая модернизируемая система охлаждения также обладает недостатками. Во первых, недостатком являются то, что в указанной конструкции система регулирования является ступенчатой, состоящей только из двух ступеней, задающей две фиксированных скорости вентилятора. Кроме этого моделирование температуры изоляции обмоток по току якорной цепи ТЭД объективно вводит ошибку при регулировании количества воздуха необходимого для его охлаждения. Так, при трогании локомотива с составом в зимнее время с холодного состояния на затяжных подъемах, работа системы вентиляции может приводить в начальный момент к переохлаждению обмоток, а затем по мере разгона, когда ток через тяговые двигатели будет падать, к их недостаточному охлаждению так как при уменьшении тока через ТЭД система охлаждения может перейти на низкую скорость вращения вентилятора. Наиболее тяжёлый режим работы изоляционных конструкций ТЭД может возникать в условия трогания поездов в летний период с подогретым состоянием его обмоток. В этот момент, когда после разгона поезда в часовом режиме температура задних лобовых частей обмотки якорей достигает 180 С (см. гл. .2), вентиляторы охлаждения могут перейти на низкую скорость вращения, при токах, близких к переходным режимам их переключения и температура нагрева изоляционных конструкций якорей ТЭД будет возрастать до критических значений, приближаясь к условиями теплового пробоя. Кроме этого, недостатком предлагаемой модернизации является то, что работа системы охлаждения в режиме «горячего отстоя» зависит от степени заряженности аккумуляторной батареи локомотива. Т. е. система охлаждения ТЭД функционально зависима от системы, напрямую несвязанной с работоспособностью ТЭД - со схемой зарядки аккумуляторной батареи.
Принятые конструкции систем охлаждения ТЭД на локомотивах обусловлены рядом факторов. К наиболее важным из них необходимо отнести то, что, во первых, по условиям эксплуатации и показателям использования материалов, тяговые электрические машины локомотивов могут иметь только принудительное охлаждение /153, 154/, и во вторых, в условиях эксплуатации системы охлаждения должны удовлетворять достаточно жёстким требованиям по габаритным размерам, массе и величине затрат мощности на привод вентиляторов. При этом номинальная величина подачи охлаждающего воздуха установлена, исходя из условия поддержания допустимого значения превышения средней температуры якорных обмоток ТЭМ для продолжительного режима работы при номинальной мощности и температуре наружного воздуха + 40 С.
Работы по модернизации систем вентиляции, с целью экономии энергии локомотива на собственные нужды, ведутся уже достаточно давно. В частности, в монографии . /28/ подробно рассмотрены недостатки существующих систем вентиляции, исследованы направления их модернизации, показана необходимость их конструктивных изменений, в части более тесной увязки производительности вентиляционных систем с тепловым состоянием изоляции обмоток ТЭД. При этом эффект от внедрения систем, автоматически изменяющих подачу воздуха в зависимости от температуры нагревающихся частей электрооборудования, может составить для тепловозов, эксплуатирующихся в России З-т-4% от расхода топлива на тягу, а для электровозов она может достичь 18 % и более /53/.
Однако, приоритет при модернизации систем охлаждения доложен отдаваться прежде всего, когда задачам повышения надёжности изоляции ТЭД и в целом силовых цепей локомотива. Внедрение систем охлаждения, экономящих энергозатраты на свой привод, но не обеспечивающих температурный режим изоляционных конструкций тягового электрооборудования, в соответствии с их классом изоляции, затраты на эксплуатацию и ремонт этого электрооборудования могут значительно превысить экономию.
К одной из первых работ, посвященной решению данной проблемы необходимо отнести работу /54/. В ней исследовалась возможность определения средней температуры якорных обмоток тепловозных ТЭД ДК304Б по средней температуре обмоток дополнительных полюсов. Задача решалась целью ограничения токовых нагрузок ТЭД на конкретных участках заданного профиля пути при движении тепловоза с составами, имеющими заданный вес. В более поздних работах /16, 38, 39, 56/ рассматривались вопросы дистанционного контроля и измерения температуры вращающихся обмоток электрических машин с целью защиты их от перегрева. Вопросам автоматизации систем охлаждения тягового электрооборудования электровозов и тепловозов, в период с 1970 по 2000 г. г., посвящены научные исследования, выполненные во ВНИИЖТ, ВЭлНИИ, ЛМСИ, НИИЭТМ, ВНИТИ и других организациях /34, 155-=-185/. В результате этих исследований специалистами выше названных организаций были разработаны мероприятия по модернизации систем охлаждения тягового электрооборудования электровозов и тепловозов. В течении ряда лет на железных дорогах России эксплуатировались электровозы переменного тока серии ВЛ80 и ВЛ85, система охлаждения тягового электрооборудования которых оборудованы вентиляторами, с регулируемой производительностью. Подача охлаждающего воздуха в системах вентиляции ТЭД на этих локомотивах автоматически изменяется в зависимости от сигнала электронного моделирующего устройства -блока теплового контроля. С 1997 г. проводится модернизация и систем охлаждения тепловозов серий М62, ТЭ10, 2ТЭ116. Подача воздуха в системах охлаждения их ТЭД изменяется ступенями по сигналу, пропорциональному разности температур охлаждающего воздуха на их выходе и входе /28/.
Несмотря на большое количество научных работ в области создания автоматических систем регулирования подачи охлаждающего воздуха в ТЭМ локомотивов, в настоящее время основной парк локомотивов не имеет управляемого привода вентиляторов /28/. Это связано с тем, что оптимальной схемы такого привода до сих пор не найдено.
Ниже будет приведено описание автоматической системы охлаждения ТЭД, которая с некоторыми видоизменениями может быть применена как на электровозах, так и на тепловозах.
