Актуальность темы исследования. Наземный городской электротранспорт (ГЭТ) является важнейшим звеном городской инфраструктуры и в основном состоит из троллейбусов и трамвайных вагонов, которые во время работы никаких вредных примесей в атмосферу не выделяют. Они являются экологически чистым видом транспорта, и в этом видится их неоспоримая перспектива. Защита подвижных объектов ГЭТ от токов КЗ и от тепловых воздействий тех токов, которые возникают в режиме перегрузки во время эксплуатации, является актуальной задачей. Изношенность подвижных объектов ГЭТ создает серьезную проблему - это низкая электрическая прочность самих объектов. В этом случае необходимо обеспечить быстродействующую защиту (БЗ) от токов утечки и прикосновений. Нерешенность этих проблем приводит к тяжелым последствиям, включая человеческие жертвы.
Существующие конструкции автоматических выключателей (АВ) не могут обеспечить быстродействия по ГОСТу 2585, где регламентируется основной параметр автоматических быстродействующих выключателей (АБВ) постоянного тока - собственное время отключения - с разделением его на три класса: I класс 0,006 +■ 0,008 с, II класс 0,003 +■ 0,005 с, III класс 0,001 +■ 0,002 с. Широко применяющимся защитным аппаратом является выключатель с ручным управлением АВ-8А (производства ЗАО «Динамо-Плюс» г. Москва), но его место установки предусмотрено только внутри кабины водителя троллейбуса, что приводит к появлению в этой зоне кабелей высокого напряжения. В аппарате используется двухступенчатая щелевая дугогасительная камера (ДК) без пламегасителя, работа которой сопровождается выбросом ионизированных газов за ее пределы.
Обзор существующих конструкций АВ и АБВ отечественного и зарубежного производства показал, что двухполюсные АБВ отсутствуют. Троллейбусы полностью изолированы от земли, а для трамваев рельс является минусовой шиной питания трамвайных вагонов. Для защиты электрооборудования (ЭО) трамвая однополюсные аппараты применимы, но применение двухполюсных аппаратов предпочтительнее тем, что при коммутации таких выключателей происходит отделение электрической схемы от обоих проводов контактной сети и, тем самым, напряжение снимается полностью, что обеспечивает надежное отключение цепи и гальваническую развязку. Многие аппараты имеют критическую зону гашения дуги, особенно дуги малых индуктивных токов (МИТ), а также неотключаемые токи. По ГОСТу 12.1.038 «Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновений и токов» полное время отключения токов любых значений защитной аппаратурой не должно превышать 80 мс. Таким образом, известные отечественные конструкции АБВ постоянного тока для наземного ГЭТ не полностью удовлетворяют всем требованиям нормативных документов, а их зарубежные аналоги при сопоставимой мощности имеют высокую цену, и это определяет необходимость разработки новых конкурентоспособных АБВ для ГЭТ, что в конечном итоге определяет актуальность выбранной темы:
1. Защита пассажиров и самих подвижных объектов ГЭТ от токов КЗ, утечки и прикосновения; от тепловых воздействий тех токов, которые возни-кают в режиме перегрузки во время эксплуатации; защита современной электронной аппаратуры, установленной в подвижных объектах ГЭТ.
2. Разработка принципов таких коммутационных аппаратов для увеличения надежности защиты пассажиров и техники.
3. Применение автоматической быстродействующей защиты, притом - дистанционного управления.
4. Исключение неотключаемых токов в АБВ.
Целью работы является разработка и исследование конкурентоспособных АБВ постоянного тока для наземного ГЭТ с повышенной надежностью для обеспечения пожаро- и электробезопасности пассажиров, что формирует следующие задачи разработки и исследования:
1. Обоснование разработок и исследований новых АБВ для ГЭТ.
2. Разработать и исследовать новые электромагнитные приводные механизмы АБВ для ГЭТ.
3. Разработать и исследовать новые дугогасительные системы, а также разработать и исследовать новые системы управления АБВ для ГЭТ.
4. Разработать и исследовать гибридный АБВ для ГЭТ.
5. Разработать инженерные методики для определения оптимальных параметров новых АБВ для ГЭТ.
6. Довести результаты разработок АБВ для ГЭТ до опытно-
промышленных испытаний и серийного производства.
Научная новизна выполненных исследований состоит в следующем:
1. Научно обоснованы принципы разработки и создания новых АБВ для ГЭТ.
2. Разработаны инженерно-математические модели для анализа нелинейных процессов в электромагнитных механизмах (ЭММ) новых АБВ для ГЭТ.
3. Разработаны экспериментально-математические методики для анализа нелинейных процессов в дугогасительных системах новых АБВ для ГЭТ.
4. На базе разработанных принципов синтезирован ряд новых АБВ для наземного ГЭТ.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Разработанные принципы построения новых электрических аппаратов использованы при синтезе новых АБВ для ГЭТ.
2. Разработанные инженерно-физические расчетные методики использованы для определения оптимальных параметров ЭММ новых АБВ для ГЭТ.
3. Разработанные экспериментально-математические методики использованы для определения оптимальных параметров ДС новых АБВ для ГЭТ.
4. Практическая ценность подтверждается тем, что на основании проведенных исследований получено большое количество патентов, многие из которых нашли применение в новых внедренных АБВ для ГЭТ.
Методы исследования. При теоретических исследованиях были использованы методы теории электрических аппаратов, в том числе электрических цепей, теория магнитных цепей, теория электромагнитных и динамических процессов в ЭММ, включая аналоговые и цифровые модели для ЭВМ.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Принципы построения и новые устройства ЭММ АБВ для ГЭТ.
2. Принципы построения и новые ДС АБВ для ГЭТ.
3. Принципы построения и новые системы управления АБВ для ГЭТ.
4. Разработка и исследование гибридного АБВ для ГЭТ.
5. Разработка инженерных методик для определения оптимальных параметров новых АБВ для ГЭТ.
6. Результаты внедрения разработанных АБВ в серийное производство.
Достоверность полученных результатов обоснована корректным использованием элементов теории электрических аппаратов, многочисленными экспериментальными исследованиями, использованием результатов исследований в серийном производстве разработанных электрических аппаратов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 229 наименований, 5 приложений и содержит 317 страниц (с приложениями), 170 рисунков, 48 таблиц.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на региональной научно-практичной конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (г. Екатеринбург, 2003), региональной научно-практичной конференции «Энергосберегающие техника и технологии» (г. Екатеринбург, 2000), Международной научно-практичной конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы» (г. Ульяновск, 2011), научно-практичной конференциях «Электротехника 2010 г.: Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии» на VI и VII симпозиумах (Московская обл., 2001 и 2003 гг.) и «Электротехника 2030 год: Перспективные технологии электроэнергетики» на IX симпозиуме (Московская обл., 2007 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 98 работ, из них 7 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК; 70 патентов РФ на изобретение, 13 патентов РФ на полезные модели, 2 патента РФ на промышленные образцы; 6 монографий.
17 работ выполнены автором единолично.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке новых АБВ для ГЭТ и расчетных методик и в руководстве опытно-промышленными испытаниями новых АБВ для ГЭТ, подготовке публикаций к печати и апробации результатов.
1. На основании анализа научно-технических публикаций по электрическим выключателям для городского наземного электротранспорта (трамвай, троллейбус) показано, что известные технические решения по указанным выключателям обладают некоторыми недостатками, что обуславливает актуальность исследований по их усовершенствованию.
2. Разработан, теоретически и экспериментально исследован целый ряд новых, защищенных патентами, быстродействующих ЭММ и дугогасительных систем, применяемых в разных типах выключателей для использования на подвижных объектах ГЭТ.
3. Разработан и исследован целый ряд новых, защищенных патентами вариантов и блоков автоматических систем управления для разных типов выключателей, в том числе разработан новый гибридный выключатель.
4. Рассмотрены вопросы различных видов испытаний выключателей в соответствии с требованиями нормативных документов. Приведены основные параметры испытательного оборудования.
5. Разработанные новые электромагнитные механизмы и дугогасительные системы могут быть рекомендованы для применения их в сильноточных (свыше 1000 А) АБВ для постоянного тока.
6. Разработка и исследование малогабаритных и надежных гибридных и электронных аппаратов, естественно, при обеспечении соответствующей элементной базы, является перспективой настоящей работы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
