Быстродействующий выключатель
Для защиты силовых электрических цепей при питании от контактной сети постоянного тока 3 кВ, при коротких замыканиях и перегрузках, а также для оперативных отключений на каждом вагоне DR T (02 и 09) расположено по одному быстродействующему выключателю (БВ) марки UR26 64TCs фирмы «Secheron». Основные конструктивные элементы БВ представлены на рис. 5.31.
Рис. 5.31. Основные конструктивные элементы БВ: 1 — катушка управления БВ (включающая); 2 — вилка; 3 — подвижный контакт; 4 — толкатель; 5 — вспомогательные контакты; 6 — демпфер; 7 — тяга принудительного размыкания; 8 — размыкатель; 9 — неподвижный контакт; 10 — дугогасительная камера; 11 — рога разрыва дуги; 12 — отражатели из стекловолокна; 13 — деионизирующая решетка; 14 — нижняя соединительная клемма; 15 — катушка электромагнитного дугогашения; 16 — контактный рог; 17 — верхняя соединительная клемма
Данный БВ относится к группе быстродействующих выключателей с механическим удерживающим устройством (так называемых БВ защелочного типа). Быстродействующие выключатели с аналогичным принципом действия широко используются на электровозах постоянного тока серии ЧС (например 12HC на электровозах ЧС2 и ЧС2Т). Основным преимуществом защелочных БВ перед быстродействующими выключателями с электромагнитным удерживающим устройством, более распространенными на ЭПС отечественного производства (БВП-5, БВП-105, ВБ-021 и др.), является независимость их срабатывания от направления тока. Так, при изменении направления тока, потребляемого из контактной сети (в частности, в режиме рекуперативного торможения), БВ с электромагнитным удерживающим устройством не сможет защитить силовую цепь, так как его размагничивающий виток, по сути, станет «намагничивающим». Поэтому в схемах ЭПС постоянного тока с рекуперативным торможением защита силовой цепи в тормозном режиме часто осуществляется другими электрическими аппаратами (например, быстродействующими контакторами). БВ защелочного типа (в том числе и UR26) является неполяризованным, т.е. он защищает силовую цепь ЭВС «Сапсан» как в тяговом, так и в тормозном режимах.
Одним из конструктивных отличий быстродействующего выключателя UR26 является отсутствие в нем пневмопривода, который обычно применяется для замыкания главных контактов. Это упростило монтаж аппарата (не требуется подвод сжатого воздуха) и увеличило его ресурс (выключатель без повреждений выдерживает 200 000 циклов замыкания/размыкания без нагрузки).
Ниже представлены технические характеристики выключателя UR26.
Технические характеристики БВ Номинальное рабочее напряжение............................ 3600 Максимальное рабочее напряжение........................... 4000 Номинальное напряжение изоляции........................... 4800 Номинальный рабочий ток................................... 2600 Максимальное напряжение дуги.............................. 7200 Вес выключателя........................................... 76 кг Вес дугогасительной камеры................................ 80 кг Вес изолирующего ящика.................................... 40 кг Полный вес................................................ 196 кг Габаритные размеры БВ .................................... 1029x724x463 мм Габаритные размеры защитного контейнера, мм............... 1500x790x490 мм Напряжение цепи управления................................ 110 В Время включения при t = 20 °С ............................ ~150 мс Время выключения при t = 20 °С............................ 15—30 мс
Алгоритм работы БВ
Замыкание. При подаче напряжения +110 В на катушку управления БВ 1 (см. рис. 5.31), преодолевая усилие установленной внутри катушки пружины, перемещается вилка 2, посредством которой подвижный контакт 3 замыкается с неподвижным контактом 9. Ток начинает протекать от верхней соединительной клеммы 17 по неподвижному контакту 9 на подвижный контакт 3 и через его медные шунты на нижнюю соединительную клемму 14, а через радиаторы и шины — на катушки электромагнитного дугогаше-ния 15 и на контактный рог 16. Толкатель 4, перемещаемый подвижным контактом 3, воздействует на вспомогательные контакты 5. Гашение усилия замыкания осуществляется демпфером 6. Алгоритм работы вспомогательных контактов в зависимости от положения силовых контактов показан на рис. 5.32.
Рис. 5.32. Алгоритм работы вспомогательных контактов в зависимости от положения силовых контактов: M — главный контакт; A — вспомогательные контакты
Удержание. После замыкания главных контактов усилие прижатия поддерживается электромагнитом при пониженном токе удержания (5 % от тока замыкания).
Размыкание. Ток, превышающий установленное максимальное значение, наводит в магнитном контуре устройства размыкания электромагнитное поле, перемещающее тягу 7 (см. рис. 5.31) вверх, и, поднимая размыкатель 8 и вилку 2, тем самым освобождает подвижный контакт 3, который под действием пружины в толкателе 4 перемещается в исходное положение.
При штатном размыкании снимается напряжение с катушки управления БВ, и под действием пружин внутри корпуса катушки управления высвобождаются вилка 2 и подвижный контакт 3, который под действием пружины в толкателе 4 перемещается в исходное положение.
Дуга, образующаяся между подвижным и неподвижным контактами 3 и 9, под воздействием электромагнитного поля катушек 15 начинает перемещение между неподвижным контактом 9 и контактным рогом 16 в направлении дугогасительной камеры 10. Далее дуга разрывается рогами разрядника 11 и отражателями 12. Процесс образования и гашения электрической дуги и переходные процессы при размыкании главных контактов показаны на рис. 5.33.
Зависимость тока, протекающего через катушку управления БВ, от времени в процессах замыкания, удержания и размыкания представлена на рис. 5.34, где обозначены:
A — подача импульса на включение: контакты F и G замкнуты;
B — импульс на включение: длительность от 0,5 до 1 с;
C — включение режима удержания: контакт G размыкается;
D — удержание: сопротивление R1 ограничивает ток удержания до 5 % тока замыкания;
E — размыкание: контакт F размыкается, тем самым размыкая цепь питания катушки;
R1 — удерживающий резистор;
S — автоматический защитный выключатель.
Рис. 5.33. Процесс образования и гашения электрической дуги при размыкании силовых контактов БВ: tl — задержка времени от момента превышения тока уставки до начала размыкания главных контактов; tb — полное время отключения; Id — ток уставки; Icut off – максимальный ток дуги; Ur – номинальное рабочее напряжение; Uarc – максимальное напряжение дуги
Рис. 5.34. Временные диаграммы процессов замыкания, удержания и размыкания БВ
Положения компонентов БВ в процессах замыкания, удержания и размыкания представлены в табл. 5.3.
Таблица 5.3. Положения компонентов БВ в процессах замыкания, удержания и размыкания
| 1. Подача напряжения на устройство замыкания + 110 В |  |
| 2. Удержание подвижного контакта в замкнутом положении и снижение тока включающего электромагнита до 5 % от номинального. Подвижный контакт удерживается непосредственно защелкой на вилке |   |
| 3. Срабатывание устройства принудительного выключения и начало процесса размыкания главных контактов |   |
| 4. Главные контакты разомкнуты и выключатель готов к новому замыканию |  |
На электропоезде БВ вследствие габаритных ограничений установлен в подвагонном ящике горизонтально (рис. 5.35 и 5.36).
Рис. 5.35. Размещение БВ в подвагонном ящике
Рис. 5.36. Внешний вид БВ в подвагонном ящике
В силовых электрических схемах поезда быстродействующий выключатель обозначается DC-HS (рис. 5.37, 5.38), и его главные контакты шунтируются с обеих сторон контактами заземлителя DC-ES.
Рис. 5.37. Схема входных цепей поезда В1
Рис. 5.38. Схема крышевого оборудования постоянного тока поезда В2
Главный выключатель
Для защиты электрических цепей при питании от сети переменного тока, при коротких замыканиях и перегрузках, а также для оперативных отключений на крыше каждого вагона TR T (03 и 08) двухсистемного поезда расположено по одному главному выключателю (ГВ) марки MACS фирмы «Secheron». Ниже приведены основные технические характеристики ГВ.
Технические характеристики ГВ Номинальное рабочее напряжение...................................... 27 500 В Номинальный рабочий ток............................................. 1000 А Номинальная рабочая частота......................................... 50 Гц Вес выключателя..................................................... 108 кг Габаритные размеры ГВ............................................... 940x430x726 мм Напряжение цепи управления ......................................... 110 В Время включения при t = 20 °С ...................................... <65 мс Время выключения при t = 20 °С...................................... <50 мс Количество циклов замыкания/размыкания, производимых без тока....... 250 000
Общий вид ГВ представлен на рис. 5.39, 5.40.
Рис. 5.39. Главный выключатель: 1 — выключатель MACS; 2 — заземляющий выключатель; 3 — опорная пластина; 4 — рукоятка ручного привода
Рис. 5.40. Главный выключатель на крыше трансформаторного вагона
Главные контакты выключателя 5 включены в цепь первичной обмотки тягового трансформатора (рис. 5.41).
В отличие от ЭПС отечественного производства, оборудованных главными выключателями ВОВ 25/4, в которых применено выдувание электрической дуги сжатым воздухом, в ГВ ЭВС «Сапсан» использован совсем другой принцип, а именно гашение дуги в вакууме. В результате отпадает необходимость в накачке сжатого воздуха вспомогательным компрессором перед включением ГВ, а следовательно, и связанные с этим потери времени. Т.е. главный выключатель всегда готов к включению.
Рис. 5.41. Упрощенная схема включения контактов главного выключателя в цепь первичной обмотки тягового трансформатора: 1 — контактный провод; 2 — токоприемник; 3 — крышевой разъединитель; 4, 7 — разрядники; 5 — главные контакты выключателя; 6 — заземляющие контакты выключателя
Итак, выключатель MACS 1 (см. рис. 5.39) представляет собой однополюсный выключатель переменного тока, предназначенный для установки на крыше электропод-вижного состава. Заземляющий выключатель 2 обеспечивает безопасность персонала, выполняющего осмотр, техническое обслуживание и ремонт высоковольтного электрического оборудования. Зоны высокого и низкого напряжения отделены опорной пластиной 3.
На рис. 5.39 показаны три основных компонента выключателя MACS:
- А — цепь высокого напряжения: главные контакты помещены в вакуумный коммутатор (VST), который обеспечивает силовое электрическое соединение и разрыв дуги;
- B — изоляция относительно земли: через изолятор привод связывает рабочий механизм с подвижным контактом. Уплотнительное кольцо круглого сечения обеспечивает герметичность соединения выключателя MACS с крышей поезда;
- C — механизм заземления 4, механизм управления замыканием/размыканием, блок управления и счетчик числа циклов замыкания/размыкания, расположенные под несущей рамой выключателя MACS непосредственно за потолочной панелью со стороны второго тамбура вагона TRT.
Устройство вакуумного коммутатора
Для обеспечения изоляционных свойств между силовыми контактами в камере коммутатора создан вакуум. Рис. 5.42 поясняет конструкцию вакуумного коммутатора.
Рис. 5.42. Вакуумный коммутатор: 1 — неподвижный контакт; 2 — подвижный контакт; 3 — металлический фланец; 4 — керамический корпус; 5 — направляющая; 6 — металлический сильфон; 7 — металлический экран
Вакуумный коммутатор состоит из неподвижного 1 и подвижного 2 контактов. Неподвижный контакт установлен на металлическом фланце 3, удерживающем керамический корпус 4. Между керамическим корпусом и контактом расположен металлический экран, который защищает керамические части корпуса от осаждения паров металла, образованных дугой при размыкании контактов. Подвижный контакт движется по направляющей 5 в осевом направлении. Созданный изготовителем вакуум в камере обеспечивается за счет металлических сильфонов 6, заваренных на подвижном контакте, и торцевого фланца. Кроме того, защита вакуумной среды происходит посредством металлического экрана 7, расположенного вокруг сильфонов.
Алгоритмы работы ГВ
Процессы замыкания, удержания и размыкания ГВ, а также процессы заземления и разрыва контура заземления ГВ представлены на рис. 5.43.
Рис. 5.43. Алгоритм работы главного выключателя (а): 1 — неподвижный контакт; 2 — подвижный контакт; 3 — вакуумный коммутатор; 4 — замыкающий электромагнит; 5 — исполнительный (рабочий) механизм; 6 — кулачок; 7 — вспомогательные контакты; 8 — размыкающие пружины; 9 — пружины контактного давления; 10 — импульс на замыкание; заземление главного выключателя (б): 1, 6 — ключ системы запорных устройств электропоезда; 2 — рычаг заземления; 3, 7 — движение по извлечению рычага из паза; 4 — движение поворота рычага; 5, 8 — движение по фиксированию рычага в пазе
Замыкание. Два главных контакта, неподвижный 1 (см. рис. 5.43, а) и подвижный 2, расположены в вакуумном коммутаторе 3. При получении импульса на замыкание 10 рабочий механизм 5 передвигается под воздействием замыкающего электромагнита 4. При этом происходит замыкание подвижного контакта 2 с неподвижным контактом 1. Образуется цепь протекания тока от верхнего силового соединителя на неподвижный контакт, далее на подвижный контакт и на нижний силовой соединитель. Контактное нажатие главных контактов 1 и 2 обеспечивается за счет давления, оказываемого рабочим механизмом 5 при помощи пружин 9. При этом кулачок 6 активирует вспомогательные контакты 7.
Удержание. После замыкания главных контактов электромагнит катушки 4 создает контактное давление при пониженном токе удержания.
Размыкание. При прерывании подачи напряжения на катушку электромагнита 4 под действием усилия размыкающих пружин 8 и пружин контактного давления 9 происходит размыкание главных контактов. Образуемый при расхождении контактов жидкометаллический мостик удерживается с помощью магнитного поля самой дуги. При естественном прохождении тока через ноль магнитное поле исчезает, и дуга гаснет. Кулачок 6 деактивирует вспомогательные контакты 7.
Заземление ГВ. Для заземления ГВ необходимо повернуть ключ от системы запорных устройств электропоезда 1 (см. рис. 5.43, б) (после поворота ключ 1 не может быть извлечен), нажать 3 на рычаг заземления, извлечь его из паза и повернуть 4 до упора. При этом рычаг заземления 2 должен зафиксироваться 5 в пазе. Ключ 6 необходимо повернуть для блокировки рычага заземления в заземленном положении, и извлечь его для произведения дальнейших действий по заземлению электропоезда. Зависимость состояния вспомогательных контактов от положения заземляющего выключателя показана на рис. 5.44.
Рис. 5.44. Состояние вспомогательных контактов в зависимости от состояния заземляющего выключателя: 1 — заземляющий выключатель; 2 — вспомогательный контакт a1; 3 — вспомогательный контакт b1; 4 — вспомогательный контакт a0; 5 — вспомогательный контакт b0
Снятие контура заземления. Необходимо вставить и повернуть ключ от системы запорных устройств электропоезда 6 (см. рис. 5.43, б) (после поворота ключ 6 не может быть извлечен). Нажать 7 и извлечь рычаг заземления 2 из паза, и повернуть 4 до упора. При этом рычаг заземления 2 должен зафиксироваться 8 в пазе. Ключ 1 необходимо повернуть для блокировки рычага заземления в положении снятия контура заземления и извлечь его для произведения дальнейших действий по снятию контура заземления электропоезда.
На рис. 5.45 приведен алгоритм работы главных и вспомогательных контактов главного выключателя в комплексе.
Рис. 5.45. Алгоритмы работы силовых и вспомогательных контактов при подаче сигналов на замыкание и размыкание: 1 — команда «O» (размыкание); 2 — команда «С» (замыкание); 3 — сигнал «Готово а» («О»); 4 — сигнал «Готово b» («C»); 5 — напряжение на конденсаторе; 6 — главный контакт; 7 — вспомогательный контакт a1; 8 — вспомогательный контакт b1; 9 — вспомогательный контакт a0; 10 — вспомогательный контакт b0; 11 — мощности: P0 — минимальная действующая мощность (5—6 Вт); P1 — мощность нагрузки (< 40 Вт), P2 — мощность удерживания и нагрузки (< 80 Вт); P3 — мощность удерживания (< 40 Вт); t1 — время зарядки при запуске (< 20 с); t2 — время зарядки после замыкания (<15 с); t3 — время замыкания главных контактов после получения команды на замыкание (< 65 мс); t4 — время размыкания главных контактов после получения команды на размыкание (< 50 мс); t5 — задержка перед новым замыканием (3 с)
Система управления ГВ
Процессами замыкания, удержания и размыкания главных контактов управляет электронный блок, смонтированный под несущей рамой ГВ. Функциональная схема блока приведена на рис. 5.46. Управление осуществляется путем изменения очередности подачи напряжения +110 В на входные порты блока управления, имеющие имена «Команда 1» и «Команда 2». Сигналы, подаваемые на блок управления ГВ, и ответные сигналы блока управления, подаваемые в систему управления поездом, приведены в табл. 5.4.
Рис. 5.46. Функциональная схема блока управления: 1 — импульсный преобразователь постоянно/постоянного тока; 2 — конденсатор; 3 — устройство замыкания; 4 — устройство удержания; 5 — блок управления; 6 — счетчик циклов замыкание/размы-кание; 7 — электромагнитная катушка; 8 — дополнительный выключатель; 9 — выходные сигналы «Готово»; 10 — тепловой резистор; +B — «плюс» аккумуляторной батареи; —B — «минус» аккумуляторной батареи; O1+ — плюс «Команда 1»; O1–минус «Команда 1»; O2+ — плюс «Команда 2»; O2–минус «Команда 2»
Таблица 5.4. Таблица сигналов управления и ответных сигналов
| Управляющие сигналы | Ответные сигналы | Действие | ||
| Команда 1 | Команда 2 | Готово а (NO) | Готово а (NC) | |
| 0 | x | x | x | Размыкание ГВ |
| 1 | 0 | x | x | Без изменений |
| 1 | 1 | 0 | 1 | Без изменений |
| 1 | 1 | 1 | 0 | Замыкание ГВ |
На нижней панели защитного кожуха ГВ, расположенной за потолочным люком, находятся сигнальные светодиоды. При подаче напряжения батареи и после окончания зарядки конденсатора ГВ загорается желтый светодиод, сигнализирующий о рабочем состоянии ГВ. Если загорелся красный светодиод, это сигнализирует о наличии ошибки в программном обеспечении блока управления ГВ.
Блок управления ГВ питается напряжением 110 В и оборудован специальным резистором обогрева, предотвращающим изменение параметров цепи при эксплуатации в условиях низких температур (ниже —40 °C). При температуре ниже —(37±3) °C не происходит немедленной подачи питания к электронной плате, а автоматически включается резистор обогрева с электромеханическим управлением, который обеспечивает выработку необходимой тепловой мощности. Включение электронной платы осуществляется только после того, как температура электромеханических компонентов достигнет —(27±5) °C. С этого момента центральный процессор с интегральным датчиком температуры начинает работать в обычном режиме, управляя процессом подогрева и регулируя температуру. Стандартная продолжительность нагрева от температуры —50 °C до момента включения сигнала «Готово» в зависимости от напряжения в цепях управления приведена в табл. 5.5.
Таблица 5.5. Зависимость времени нагрева электромеханических компонентов блока управления ГВ до рабочей температуры от напряжения батареи
| U, В | 77 В | 110 В | 137,5 В |
| t, мин | ~ 18 мин | ~ 13 мин | ~ 9 мин |
