СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ. ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Введение. Пробой изоляции молниевами процессами - явление обычное. Если это поверхностный пробой, то чаще всего каких-либо неприятных последствий с изоляцией не происходит по той причине, что за короткое время (сотни микросекунд, а 1 мкс - одна миллионная доля секунды) действия дуги в месте пробоя выделившегося тепла недостаточно для разрушения изоляции. Иная ситуация возникает, если по молниевой электрической дуге начинает протекать ток от стационарного источника (так называемый подхватывающий, или сопровождающий ток). Если стационарный источник питающей установки является источником достаточно большой мощности, то при определенных условиях горение дуги может поддерживаться сколь угодно долго, если сопровождающий ток не отключить с помощью защитного прибора. Таким прибором в цепях СЖАТ является плавкий предохранитель (ПП).

В системах СЦБ используется примерно 1 350 000 ПП. Это дешевые приборы, но у них есть недостаток: примерно в среднем из 10 срабатываний в 9 случаях "металлического" короткого замыкания (КЗ) нет. Одна из причин - отключение сопровождающего тока. Другая причина - в износе (окисление поверхности ПВ при нагреве) и усталости плавкой вставки (ПВ), вытягивании нити подпружиненным элементом.

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ КОНТРОЛЯ СРАБАТЫВАНИЯ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Неотъемлемой частью любой системы железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) является плавкий предохранитель (ПП). Главное его назначение – защита СЖАТ от пожаров и повреждений аппаратуры при возникновении коротких замыканий (КЗ) и токовых перегрузок в многочисленных цепях. Благодаря используемому в ПП физическому принципу защиты – расплавление проволочной плавкой вставки (ПВ) с нормативным поперечным сечением – предохранитель гарантирует отключение поврежденного участка цепи при КЗ и токовых перегрузках. Несмотря на то, что ПП, как устройство защиты цепей СЖАТ, применяется уже порядка ста лет, ряд его параметров, таких как разрывная способность и быстродействие, остаются непревзойденными другими устройствами токовой защиты (например, автоматическими выключателями с тепловыми и электромагнитными расцепителями).

Важной характеристикой ПП также является его низкая стоимость (автоматические выключатели многократно дороже), принимая во внимание, что в СЖАТ эксплуатируется более 1,35 млн. плавких предохранителей.

Кроме того, даже при появлении на рынке электротехнической продукции альтернативы ПП, любое такое устройство должно иметь конструктивную совместимость с существующей аппаратурой по штепсельному соединению и габаритным размерам, позволяющую осуществить замену ПП на это устройство без каких-либо изменений в конструкции и монтаже СЖАТ.

Таким образом, альтернативы ПП в СЖАТ пока не видится.

В наиболее ответственных цепях, таких как цепи питания стрелочных электроприводов, рельсовые цепи, применяются ПП с контролем перегорания. Контроль перегорания – это незаменимый атрибут ПП, позволяющий в кротчайшие сроки найти сработавший предохранитель. Применение ПП с контролем перегорания необходимо для сокращения времени на восстановление нормальной работы устройств СЖАТ.

Устройство и принцип работы системы контроля срабатывания ПП На рис. 1 (а, б) представлен схематический вид ПП и системы контроля срабатывания предохранителей. Работа системы осуществляется следующим образом. В предохранителе за плавкую вставку зацеплен крючок бойка. Боек находится во взведенном состоянии над сигнальными лепестками за счет пружины. Сигнальные лепестки установлены в цоколе и являются коммутирующим элементом контрольной цепи. В контрольную цепь подключаются сигнальная лампа и звонок. В нормальном режиме, когда все предохранители исправны: сигнальные лепестки разомкнуты, лампы не горят и звонок не звенит. При перегорании предохранителя его плавкая вставка расплавляется и освобождает крючок бойка. Боёк под действием пружины опускается и замыкает сигнальные лепестки. По контрольной цепи начинает протекать ток, загорается сигнальная лампа и звонит звонок.

а

б

Рис.1. Схематический вид ПП (а) и системы

контроля срабатывания предохранителей (б)

Недостатки механического контроля срабатывания ПП. Основная часть недостатков ПП относится к системе механического контроля срабатывания. Можно выделить следующие ее недостатки:

- трудность в обеспечении параметрической совместимости упругости нормально разомкнутых контактов выходной части системы механического контроля и упругости пружины бойка;

- несрабатывание системы механического контроля ПП, вследствие застревания подпружиненного элемента контроля (бойка) на шарообразном наплыве, образовавшемся после расплавления ПВ;

- загрязнение сигнальных лепестков;

- отсутствие информации о точном адресе сработавшего ПП;

- высокие эксплуатационные затраты, связанные с периодической регулировкой бойка в КИПах;

- отказ системы механического контроля при зазоре более 2 мм между ПП и цоколем.

Рассмотрим более подробно каждый из этих недостатков.

1. Предохранитель с контролем перегорания представляет собой довольно сложное электротепломеханическое устройство, содержащие различные упругие элементы. Поэтому одной из причин низкой надежности контроля, вытекающей из конструкции, является трудность в обеспечении параметрической совместимости упругости нормально разомкнутых контактов выходной части системы механического контроля (сигнальные лепестки) и упругости пружины механического подпружиненного элемента контроля – бойка. Силовые характеристики последней должны быть минимальны для уменьшения вредного вытягивающего влияния на ПВ. В противном случае крючок бойка растянет проволочную вставку и, опускаясь, замкнет сигнальные лепестки, что приведет к ложному сообщению о срабатывании ПП.

2. На практике часто наблюдались случаи, когда механический подпружиненный элемент контроля застревает, зацепившись за шарообразный наплыв, возникающий при расплавлении ПВ на конце оставшейся части ее проволоки (рис. 2).

Был проведен эксперимент по определению вероятности отказа системы механического контроля, возникающей при данном эффекте.

Плавкий предохранитель с ножевыми выводами с контролем перегорания (по черт. 24714-00-00-04) на номинальный ток 5 А включался в цепь с нагрузкой общей мощностью 4 кВт. Схематический вид сверху исследуемого предохранителя представлен на рис. 2. В качестве источника питания использовался аккумулятор типа А412/32G6 напряжением 12 В.

Через ПП пропускался ток в несколько десятков раз превышающий номинальный. Каждый раз после его срабатывания фиксировалась зона разрыва плавкой вставки. Всего было проведено 10 опытов. Результаты приведены на рис. 3.

Рис. 2. Иллюстрация отказа контроля ПП

вследствие возникшего шарообразного наплыва на конце проволоки ПВ

Опыт 1 Опыт 2

Опыт 3 Опыт 4

Опыт 5 Опыт 6

Опыт 7 Опыт 8

Опыт 9 Опыт 10

Рис. 3. Схематическое представление образования наплывов

в зоне разрыва ПВ по результатам эксперимента

Из рис. 3 видно, что расплавление плавкой вставки по центру не наблюдалось. Это можно объяснить тем, что и держатели плавкой вставки, и крючок бойка выполняют функцию охлаждения. Таким образом, расплавление ПВ будет происходить между ними, так как на этом участке ее температура максимальна. В опытах 6, 7, 8, 10 система механического контроля не сработала, так как крючок бойка оставался подвешенным на образовавшемся при расплаве на конце проволоки шарообразном наплыве. На основании полученных результатов видно, что вероятность отказа системы механического контроля составила 0,4.

3. Сигнальные лепестки ПП никаким образом не изолированы от внешней среды, поэтому в помещениях с большим количеством пыли возможно их загрязнение. Это может привести к тому, что в случае санкционированного срабатывания ПП в замкнутом положении сигнальные лепестки будут иметь высокое сопротивление. Следовательно, система механического контроля не сработает, и времени на поиск неисправности уйдет больше.

4. Система механического контроля не дает обслуживающему персоналу информацию о точном адресе сработавшего ПП, а лишь обозначает группу, в которой находится сработавший экземпляр. Количество ПП, входящих в одну такую цепь может достигать трех десятков. В условиях стрессовой ситуации электромеханик должен найти в обозначенной группе сработавший ПП, и этот поиск не только занимает время, но и зачастую приводит к ошибкам.

5. Все ПП ремонтируются по графику 1 раз в год в соответствии с технологической картой № 27. Данная работа трудоемкая и включает в себя: осмотр и чистку корпуса, проверку сопротивления изоляции между силовыми контактами, регулировку бойка, напайку новой ПВ и проверку ПП на стенде. Наиболее длительная по времени и ответственная часть этой работы – это регулировка пружины бойка, поскольку от правильной настройки ее упругости и чувствительности сигнальных лепестков зависит надежность системы механического контроля срабатывания ПП. Так как в настоящее время эксплуатируется порядка 700 тысяч плавких предохранителей с контролем перегорания, нетрудно представить насколько велики эксплуатационные затраты на их ремонт и регулировку.

6. Иногда в процессе эксплуатации под воздействием вибрации и даже небольшого несоответствия размеров цоколя и расстояния между контактными ножами, ПП постепенно выходит из цоколя. Если этот зазор превысит 2 мм, то боёк не сможет надежно замкнуть цепь системы механического контроля при срабатывании ПП. Поэтому обслуживающий персонал должен периодически проверять отсутствие этого зазора, но это делается только раз в год [3, с. 389].

Анализ эксплуатационной надежности контроля срабатывания плавких предохранителей в СЖАТ. Были собраны данные об отказах ПП за 2010 год по Октябрьской железной дороге на основании записей в журнале нарушений работы устройств сигнализации, централизации и блокировки ШУ-78. На их основе был произведён статистический анализ причин срабатываний плавких предохранителей, приведенный в таблице.

Из данных таблицы следует, что эксплуатируемые в настоящее время типовые предохранители с проволочной плавкой вставкой имеют санкционированные срабатывания лишь в 16 % случаев, а в оставшихся 84 % случаев они отключают исправные системы автоматики и телемеханики. Следовательно, функционирование последних прекращается вследствие собственного отказа ПП. Несанкционированно сработавший предохранитель отключает часть устройств СЖАТ от источника питания, и это приводит не только к сбою графика движения поездов, но и к необходимости перехода на ручное управление стрелками и сигналами. В такой ситуации из-за ошибок оперативного персонала наблюдаются случаи ошибочного перевода стрелок под подвижным составом и др. опасные события, а это уже прямая угроза безопасности движения поездов.

Таблица. Отказы плавких предохранителей в устройствах СЖАТ по Октябрьской железной дороге за 2010 год

На Октябрьской железной дороге эксплуатируется примерно 220 тысяч плавких предохранителей, из них 120 тысяч с контролем перегорания. Несмотря на то, что число ПП с контролем и без контроля перегорания примерно одинаковое, число отказов существенно отличается. В цепях защищаемых ПП с контролем перегорания произошло на 23,8 % отказов больше. Из таблицы видно (столбец 4 и 7), что 8,3 % несанкционированных срабатываний ПП с контролем перегорания обусловлено отрицательным влиянием существующей механической подпружиненной системой контроля целостности проволочной плавкой вставки.

Таким образом, в 8,3 % случаев несанкционированных срабатываний происходит разрыв ПВ вследствие воздействия на нее механической системы контроля, а исходя из результатов эксперимента предыдущего пункта, в 40 % случаев санкционированных срабатываний механическая система контроля отказывает и не извещает персонал о перегорании ПП.

Метод совершенствования системы механического контроля срабатывания ПП

Повышением надежности контроля срабатывания ПП занималась кафедра «Электрическая связь» с 2004 года и уже имеет определенные успехи. Так, разработана теория проволочной ПВ, на её основе создан двухнитевой ПП (рис.4), который при поддержке департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» освоен на Санкт-Петербургском электротехническом заводе (СПбЭТЗ) – филиале ОАО «ЭЛТЕЗА» и серийно выпускается в настоящее время. В нем установлены две параллельно включенные ПВ: медная и константановая. Медная ПВ является рабочей и калибруется под заданный номинал тока, а константановая выполняет контрольную функцию. Данный метод полностью устраняет основной недостаток системы механического контроля ПП – застревание подпружиненного элемента контроля (бойка) на шарообразном наплыве, образовавшемся после расплавления ПВ.

Рис. 4. Двухнитевой плавкий предохранитель с контролем перегорания

Внедрение двухнитевого ПП дало положительный эффект – практически вдвое увеличилась надежность (доля санкционированных срабатываний возросла с 10 % за 2006 году до 18 % за 2010 год). Тем не менее, эта величина пока еще мала. Оставшиеся пять, описанных выше недостатков сохранились, поэтому по-прежнему основным фактором снижающим надежность данного ПП является механический контактный контроль срабатывания. Следовательно, общая эксплуатационная надежность системы механического контроля ПП по-прежнему является неудовлетворительной.

Из приведенного анализа следует, что задача совершенствования системы контроля срабатывания ПП в СЖАТ представляется весьма актуальной. Перспективным направлением совершенствования является переход от контактно-механического принципа работы к бесконтактному. Для этого предлагается:

· Принять за основу двухнитевое исполнение ПП (в таком исполнении СПбЭТЗ серийно выпускает в настоящее время разработанный кафедрой «Электрическая связь» плавкий предохранитель).

· Использовать низкое сопротивление контура из двух параллельных плавких вставок как признак работоспособности ПП.

· Для осуществления контроля низкого сопротивления контура применить высокочастотный генератор, создающий контрольный ток в этом контуре с помощью развязывающего трансформатора, построенного на малогабаритном ферритовом кольце, и приемник в виде порогового элемента (например, триггер Шмитта), подключенный к контуру через аналогичный трансформатор. Когда обе ПВ целые, высокочастотные сигналы от генератора воспринимаются приемником, что свидетельствует о работоспособности ПП. В случае КЗ в защищаемой цепи ПВ перегорают, контур размыкается, сигналы от генератора не передаются к приемнику, который фиксирует это событие как срабатывание ПП.

· Обеспечить удобную индикацию состояния ПП для обслуживающего персонала, используя блок индикации. Данный блок высвечивает информацию о состоянии каждого установленного на стативе ПП с помощью светодиода. Каждому состоянию ПП (срабатывание, обрыв основной ПВ и др.) соответствует определенное свечение светодиода.

Литература

1. Аппаратура СЦБ. Технологический процесс ремонта РМ32-ЦШ 09.11-82. Часть II / утв. 11.08.81 В. И. Сироткиным. – М.: Транспорт, 1982. – С. 108

2. Устройства СЦБ. Технология обслуживания /утв. 25.12.1997 В. Д. Водяхиным. – М. : Транспорт, 1999. – 433 с. – ISBN 5-277-02068-3.

3. Костроминов А. М., Павлов Д. Л., Варис К. В. Анализ надежности контроля срабатывания плавких предохранителей СЖАТ / Костроминов А. М., Павлов Д. Л., Варис К. В. // 66-я научно-техническая конференция СПбНТОРЭС им. А. С. Попова / под ред. В. С. Гутина [и др.]. – СПб., 2011. – С. 102 - 104.

Дополнение по теме.