CC BY
476Качество работы систем и устройств
КАЧЕСТВО РАБОТЫ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ
УДК 656.25
А. Д. Манаков, д-р техн. наук Н. Н. Балуев А. Г. Кабецкий А. А. Трошин
Исследование бесконтактного коммутатора тока на пожарную опасность
Введение
Возникновение пожаров на объектах ОАО «РЖД» связано с большими материальными потерями и массовой задержкой поездов. Начиная с 2007 г. в ОАО «РЖД» реализуется инновационный проект по созданию автоматических систем охранно-пожарной, пожарной сигнализации и пожаротушения на объектах компании. Реализуются мероприятия по недопущению пожаров на объектах. Разрабатываются технические решения: по комплексной защите технических средств и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), связи, управления электроснабжением; от проникновения атмосферных и коммутационных перенапряжений и сверхтоков; по дистанционному отключению всех источников электроснабжения постов электрической централизации (ЭЦ), диспетчерской централизации (ДЦ), горочной автоматической централизации (ГАЦ) при возникновении аварийных ситуаций; по защите бытовой электросети от возгораний в результате ее неисправности на постах ЭЦ, ДЦ, ГАЦ и др. [1].
Одной из проблем, влияющих на безопасность движения поездов, являются пожары, обусловленные ошибками проектирования систем ЖАТ, нарушениями технологии производства работ при замене рельсов на участках с электрической тягой поездов на переменном токе.
Цель работы - исследование пожарной опасности бесконтактного коммутатора тока.
Бесконтактный коммутатор тока
Бесконтактный коммутатор тока (БКТ) предназначен для формирования импульсов переменного тока в кодируемых рельсовых цепях [2]. Электрическая схема БКТ приведена на рис. 1. Принцип работы БКТ состоит в пропуске переменного тока попарно силовыми элементами VS1,
29
Качество работы систем и устройств
VD4 и VS2, VD3 для соответствующей полуволны тока. Например, установлены все перемычки: 11-12, 31-32, 51-52, 71-72, и при пропуске положительной полуволны тока возникает мгновенная полярность напряжения на клемме (Кл.): Кл. 11 - плюс ©, а на Кл. 71 - минус ©. Тогда при замкнутом контакте реле Т первоначально создается цепь тока управления тиристором VS2: © - Кл. 11 - VD3 - Кл. 33 - фронтовой контакт (ТФ) реле Т - Кл. 53 - VD2 - Кл. 51 - Кл. 52 - управляющий электрод (УЭ) VS2 -Кл. 72 - Кл. 71 - ©. После открытия тиристора VS2 создается силовая цепь тока: © - Кл. 11 - VD3-VS2 - Кл. 72 - Кл. 71 - ©. Если действует отрицательная полуволна тока, то сначала создается цепь управления тиристором VS1: © - Кл. 71 - VD4 - Кл. 33 - ТФ - Кл. 53 - VD1 - Кл. 31 -Кл. 32 - УЭ VS1 - Кл. 12 - Кл. 11 - ©, а затем - силовая цепь: © - Кл. 71 -VD4-VS1 - Кл. 12 - Кл. 11 - ©.
Рис. 1 Схема БКТ
При условии, когда перемычек нет, БКТ также выполняет свои функции по пропуску кодов сигнального тока (рис. 2). При положительной полуволне тока: © - Кл. 11 - VD3 - Кл. 33 - ТФ - Кл. 53 - VD2 - R2 -Кл. 71 - ©, а при отрицательной полуволне тока: © - Кл. 71 - VD4 -Кл. 33 - ТФ - Кл. 53 - VD1 - R1 - Кл. 11 - ©. В рассмотренном случае сигнальный ток проходит по элементам управления тиристоров, но при этом тиристоры не включаются, так как при отсутствии перемычек они не связаны со схемой.
30
Качество работы систем и устройств
Определим сигнальный ток, проходящий в этом случае по элементам БКТ. Задаем ток кодирования в рельсовой линии при электрической тяге на переменном токе, который равен 1,5 А. Тогда с учетом коэффициентов трансформации дроссель-трансформатора ДТ1-150 ПдТ = 3 и изолирующего трансформатора пИТ = 9,15 сигнальный ток в элементах БКТ равен 27 мА. Мощность, рассеиваемая на сопротивлениях R1 и R2 (100 Ом, 2 Вт), равна 0,07 Вт. При отсутствии внешних перемычек БКТ будет работать без внешних проявлений отклонений от нормы.
Имея связь с рельсовой линией, элементы БКТ подвергаются воздействию энергии тяговой сети при обрыве контактного провода; перекрытии изоляции контактной сети; в результате загрязнения химически активными элементами и воздействия атмосферного электричества; асимметрии рельсовой линии (короткое замыкание изолирующих стыков, лопнувший рельс, обрыв стыковых соединителей и одной полуобмотки дроссель-трансформаторов). Тяговый ток асимметрии трансформируется в цепь подключения БКТ и при отсутствии внешних перемычек оказывает недопустимый нагрев сопротивлений R1 и R2, что приводит к возникновению пожара в блоке БКТ.
Приведем результаты исследования БКТ на пожарную опасность. Исследования проводились методами физического и математического моделирования.
Рис. 2 Схема БКТ при отсутствии внешних перемычек (11-12, 71-72, 31-32 и 51-52)
31
Качество работы систем и устройств
Физическое моделирование
Исследования влияния тока асимметрии на элементы БКТ проводились на макете кодовой рельсовой цепи, представленной на рис. 3. Ограничивающее сопротивление тока короткого замыкания рельсовой цепи (R0), равное 200 Ом, составлялось из 18 штук сопротивлений типа С5-35В-16-100±5 %, включенных последовательно-параллельно. Ток на выходе БКТ определялся по падению напряжения на сопротивлении шунта ^ш), равном 0,08 Ом. Расчетный тяговый ток асимметрии в реальной рельсовой линии определялся путем умножения действующего тока на выходе БКТ на коэффициенты трансформации дроссель-трансформатора ДТ1-150 (при асимметрии ПдТ = 6) и трансформатора ПРТ-АУЗ (ппрг-ауз = 9,15). Исправная работа макета рельсовой цепи контролировалась по осциллограмме напряжения на сопротивлении R5, включенном последовательно с контактом путевого реле П.
При отсутствии в схеме БКТ внешних перемычек (11-12, 71-72, 31-32 и 51-52) и тока асимметрии макет рельсовой цепи работает нормально, путевое реле повторяет работу трансмиттерного реле Т. Напряжение на путевом реле равно 3,9 В (действующее значение).
Во время подачи с помощью ЛАТРа тока асимметрии частотой 50 Гц прекращалась импульсная работа путевого реле (рис. 4, луч 1). Осциллограмма суммарного тока асимметрии частотой 50 Гц и сигнального тока частотой 25 Гц показана на рис. 4, луч 2. Из осциллограммы суммарного тока следует, что по элементам БКТ протекают полуволны тока с различной амплитудой и длительностью. Для определения количества теплового воздействия такого сложного тока на сопротивления Ri и R2 в работе предлагается использовать численный метод расчета энергии, рассеиваемой на сопротивлении для каждой полуволны тока, проходящего по сопротивлениям.
Каждая полуволна тока, отличающаяся длительностью (0) и амплитудой (1м), описывается выражением:
i (t) = Iм sin
(n Л
— t + w
l© J
(1)
где IM - максимальное значение полуволны тока;
0 - длительность полуволны тока; у - начальная фаза тока.
Алгоритм расчета энергии, рассеиваемой на сопротивлениях Ri и R2, состоит в следующем. Каждая полуволна тока длительностью 0 делится на конечное число интервалов (п). По выражению (1) определяется значение тока в середине расчетного интервала (j) и делается допущение, что на
32
Качество работы систем и устройств
рассматриваемом интервале ток не изменяется и равен току в середине интервала j. Определяется энергия, рассеиваемая на сопротивлении Я\(Я2), на рассматриваемом интервале j:
Wj = (j ) АЩ,
где iJ - ток в середине интервала;
At - длительность интервала j.
Осциллограф
Рис. 3 Схема испытания БКТ на пожарную опасность
33
Качество работы систем и устройств
Тек PreVu
* да 4,1 ЦК 1^1^ tV^‘ ц)| |^т4ч*^-*ч 44 I Itn*t v< ,ц. WI >< Vr h*i 1,
GD
К1
Действующее 5.09 В
»*Мtftvwv**#'
К1 I 2 00 В \\т \ 10.0 вЧ |r|40.0md А| К1 I -1.80 В|
Рис. 4. Осциллограммы напряжений: луч 1. Падение напряжения на сопротивлении R; луч 2. Напряжение, измеренное на элементе сопротивления R (100 Ом)
Энергия, рассеиваемая на сопротивлении R^R2) за полуволну 0:
где n - количество интервалов, на которые делится длительность полуволны 0.
Суммируя энергию, рассеиваемую на сопротивлениях R1 и R2 за секунду, определяем затрачиваемую и сравниваем ее с допустимой.
По рассмотренному алгоритму была составлена программа в среде Delphi.
С увеличением тока асимметрии в рельсовой линии до 35,3 А произошло обугливание лакокрасочного покрытия сопротивлений R1 и R2 в БКТ. Дальнейшее увеличение тока асимметрии до 47 А привело к возгоранию изоляции монтажного провода, соприкасающегося с сопротивлением
n
J =1
R2 (рис. 5).
34
Качество работы систем и устройств
Рис. 5 Фотография БКТ-М после воздействия тока, эквивалентного току асимметрии, равному 47 А
После возгорания изоляции в БКТ были проведены измерения величин сопротивлений R1 = 130,9 Ом и R2 = 53,9 Ом. На рис. 6 представлены осциллограммы напряжений после возгорания в БКТ. Из осиллограммы напряжения на втором луче следует, что БКТ не пропускает отрицательную полуволну тока и работает как однофазный выпрямитель.
Рис. 6 Осциллограммы напряжений: луч 1. Падение напряжения на сопротивлении R5; луч 2. Напряжение, измеренное на элементе сопротивления R (100 Ом)
35
Качество работы систем и устройств
Математическое моделирование
Исследование электрической схемы БКТ проводилось с помощью программы аналогового моделирования PSpice. Схема замещения модели показана на рис. 7.
Рис. 7 Схема замещения питающего конца рельсовой цепи при отсутствии внешних перемычек в БКТ и действии тягового тока асимметрии
На рис. 7 V1 - напряжение на первичной обмотке изолирующего трансформатора ИТ1 (см. рис. 3); V2 - напряжение на выходе преобразователя частоты (ПЧ 50/25-300); R3 - сопротивление первичной обмотки трансформатора ПРТ-А, R4 - сопротивление катушки индуктивности резонансного контура ПЧ-50/25-300, L1 - индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора ПРТ-А, L2 - индуктивность катушки индуктивности резонансного контура ПЧ-50/25-300.
Адекватность модели реальным процессам проверялась путем сопоставления осциллограмм сигнального тока, измеренного на макете рельсовой цепи и рассчитанного на математической модели, при этом тяговый ток асимметрии принимался равным нулю (V1 = 0). Амплитуда измеренного на макете сигнального тока равна 362 мА, а амплитуда расчетного сигнального тока - 400 мА. Ошибка моделирования составила 10 %.
Разработанная модель позволяет анализировать как раздельное воздействие тягового тока асимметрии и сигнального тока на сопротивления R1 и R2, так и суммарное воздействие указанных токов. Принимая равным нулю напряжение на ПЧ-50/25-300 (V2 = 0) и изменяя напряжение V1 = = vary, которое пропорционально току асимметрии, задаем ток в элементах БКТ. Умножая ток на выходе БКТ на коэффициенты трансформации дроссель-трансформатора ДТ1-150 (при асимметрии ПдТ = 6) и трансформатора ПРТ-АУЗ (пПРТ-АУЗ = 9,15), рассчитываем тяговый ток асимметрии в реальной рельсовой линии, приводящий к соответствующему воздействию на элементы БКТ. По разработанной программе численным методом опреде-
36
Качество работы систем и устройств
лялась мощность, рассеиваемая на сопротивлениях R1 и R2. Сравнивая величину действующей мощности с допустимой величиной, устанавливаем возможность возникновения пожара в БКТ при действии определенной величины тягового тока асимметрии.
Согласно [3, с. 123], расчетный максимальный ток асимметрии равен 12,5 А (действующее значение), что составляет (5 % от максимального тока, равного 250 А. Определим мощность, рассеиваемую на сопротивлениях R1 и R2, при допустимом токе асимметрии 17,5 А (амплитудное значение). С учетом коэффициентов трансформации ДТ-1-150 (при асимметрии ПдТ = = 6) и ПРТ-АУЗ (иПРТ-АуЗ = 9,15) ток на выходе БКТ равен 319 мА. При условии V2 = 0 В подбираем напряжение источника V1, при котором ток на выходе БКТ равен 319 мА. Это напряжение равно 154 В (амплитудное значение).
На рис. 8 показана осциллограмма суммарного тока по элементам БКТ при V1 = 154 В и V2 = 150 В. Для указанного тока определим энергию, рассеиваемую на сопротивлениях Ri и R2, по предложенному алгоритму. Результаты численного расчета энергии на каждой полуволне тока сведены в табл. 1. Из таблицы следует, что малыми полуволнами при расчете мощности, рассеиваемой на сопротивлениях R1 и R2, можно пренебречь.
Рис. 8 Осциллограммы тока через сопротивление R (нижние полуволны)
и R2 (верхние полуволны)
37
Качество работы систем и устройств
Таблица 1
Энергия, рассеиваемая на сопротивлениях R и R2 на каждой полуволне тока
Характеристика полуволны тока Длительность полуволны тока, мс Амплитуда тока, мА Энергия, Дж
Большая положительная полуволна (R2) 14 640 0,287
Малая положительная полуволна (R2) 5 50 0,0006
Большая отрицательная полуволна (R1) 14 600 0,252
Малая отрицательная полуволна (R1) 7 100 0,0035
Для определения мощности, рассеиваемой на сопротивлениях R1 и R2, необходимо знать, сколько полуволн тока укладываются по времени в интервал, равный одной секунде при кодовых сигналах в рельсовую линию типа КЖ, Ж и З. Исследования на макете показали, что для кода КЖ таких полуволн 10 для каждого сопротивления Ri и R2, для кодов Ж и З - 18. Данные по расчету мощности, рассеиваемой на сопротивлениях R1 и R2, представлены в табл. 2. Результаты расчета показывают, что даже при допустимой асимметрии тягового тока на участках с электрической тягой переменного тока отсутствие перемычек в схеме БКТ приводит к перегреву сопротивлений R1 и R2.
Таблица 2
Мощность, рассеиваемая на сопротивлениях R! и R2 при различных кодах сигнального тока
Наименование сопротивления БКТ Мощность, рассеиваемая на сопротивлении, Вт
Вид кодовой комбинации, посылаемый БКТ в рельсовую линию
КЖ Ж З
R1 2,87 5,17 5,17
R2 2,52 4,54 4,54
Предлагается для предотвращения пожара установить в схеме БКТ внутренние перемычки между клеммами 11-12, 31-32, 51-52, 71-72, как это предусмотрено в схеме БКТ-2М. При отсутствии внутренних перемычек в БКТ предлагается предусмотреть токовую защиту в виде предохранителя, включенного последовательно с контактом трансмиттерного реле.
38
Качество работы систем и устройств
Заключение
В работе рассмотрены причины и условия возникновения пожара в БКТ. Проведены исследования работы БКТ на физической модели кодовой рельсовой цепи при отсутствии внешних перемычек в БКТ и действии тягового тока асимметрии. Предложен алгоритм численного расчета энергии, действующей на элементы БКТ от каждой полуволны синусоидального тока при изменении длительности полуволны и амплитуды тока. Составлена программа в среде Delphi и проведены расчеты. Разработана математическая модель рельсовой цепи со стороны включения БКТ для исследования влияния тягового тока асимметрии на элементы БКТ. Показано, что даже при допустимой асимметрии тягового тока в 12,5 А мощность, рассеиваемая на сопротивлениях БКТ, превышает допустимую величину в 1,4 раза для кода КЖ и в 2,6 раза для кодов Ж и З. Предложены меры, исключающие возникновение пожара в схеме БКТ.
Библиографический список
1. Столяров А. В. Обеспечение пожарной безопасности на объектах и подвижном составе ОАО «РЖД» / А. В. Столяров, О. А. Прокопенко // Журнал-каталог «Средства спасения. Противопожарная защита. Российские инновационные системы». Вып. 10.
2. Сороко В. И. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики:
Справочник: в 2 кн. Кн. 2. - 3-е изд. / В. И. Сороко, Е. Н. Розенберг. - М. : НПФ
«Планета», 2000. - 1008 с.
3. Аркатов В. С. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание / В. С. Аркатов, Ю. А. Кравцов, Б. М. Степенский. - М. : Транспорт, 1990. - 295 с.
39
