лекция6. Токоприемники

• Название: Токоприемники
• Дата: 10.10.2021
• Размер: 314.49 Kb.
• Имя файла: лекция6.docx
• Тип: Документы; #244444
• страница: 2 из 5

Примечание. Токоприемник Л 14М отличается от токоприемника Л-13У только тем, что на нем вместо угольных вставок установлены медные накладки, продолжительный ток при Движении равен 1500 А, а при стоянке — 270 А

ному проводу. Это обеспечивается авто­матическим регулированием скорости по­дачи сжатого воздуха в цилиндр при­вода и выпуска его в атмосферу редук­ционными устройствами, чем и регули­руется скорость подъема и опускания подвижной системы. При опущенной под­вижной системе кран 5 редукционного устройства (рис 158, в) перекрыт и воз­дух в цилиндр 8 токоприемника попадает через регулируемое отверстие 6 воздухо­распределителя 7, в результате чего по­лозы медленно поднимаются. После при­косновения полозов к контактному прово­ду шток 9 через рычаг //, валики 12, тягу 13 перемещает ручку 14 и кран 5 открывается. При опускании токоприем­ника воздух из цилиндра 8 сначала выхо­дит через кран 5 и полозы быстро от­рываются от провода. Затем, когда они пройдут минимальную рабочую высоту, кран 5 перекрывается, воздух выходит че­рез отверстие 6 и полозы плавно опу­скаются на амортизаторы 3 (cjm. рис. 155, а). Изменяя длину тяги 13 (см. рис 158, в) с помощью болтов 10, регулируют скорость опускания полозов (удлиняя тягу, увеличивают скорость, укорачи­вая— замедляют). Чтобы исключить обледенение подвижных рам, знмой на них наносят смазку ЦНИИ-КЗ.

Основные характеристики наиболее распространенных токоприемников при­ведены в табл. 1.

К тяговым аппаратам напряжением выше 1000 В на э.п.с. относят токо­приемники, разъединители, индивидуаль­ные и групповые контакторы, резисторы, пусковые панели и нагревательные при­боры. Тяговые электрические аппараты в отличие от аппаратов стационарных ус­тановок работают в условиях резкого ко­лебания температуры окружающего воз­духа (от —60 до +40°C), вертикаль­ных колебаний с частотой 1—3 Гц и ускорением 3—10 м/с², вибраций с часто­той 3—50 Гц и ускорением 3—10 м/с², при ударах в горизонтальном направле­нии с ускорением до 30 м/с² и колебаниях напряженияпо отношению к номинально­му от 0,7 до 1,25. На них воздействуют пыль и влага, они подвергаются обледене­нию и т. д. Поэтому аппараты электропод­вижного состава должны иметь: повы­шенную устойчивость к тряске и боль­шим ускорениям или замедлениям; огра­ниченную массу и размеры, что особен­но сильно влияет на конструкцию уст­ройств дугогашения и приводы; слабую чувствительность к резким температур­ным изменениям окружающей среды и ее воздействиям, запылению, обледенению и т. д.; ограниченную мощность системы управления. Изоляция их должна иметь большую диэлектрическую прочность

Все основные технические требования к аппаратам должны соответствовать госу­дарственным стандартам. Расчеты элек­трических аппаратов, связанные с опре­делением размеров и выбором конструк­ции токоведущих и некоторых других де­талей, выполняют для номинального ре­жима работы, а их термическую и дина­мическую устойчивость проверяют при аварийных перегрузочных режимах.

Испытательное напряжение (действу­ющее значение) частоты 50 Гц для изо­ляции электрических аппаратов прини­мают в зависимости от номинального напряжения. Номинальным напряжением аппаратов силовой цепи считают для э.п.с. постоянного тока 3000 В, а пере­менного 25 000 В для первичной цепи и 2200 В для аппаратов, включенных после обмотки низшего напряжения тягового трансформатора.

Требования относительно запаса меха­нической прочности для электрических аппаратов не нормированы. Они вытека­ют из требований к продолжительности работы аппаратов и частоте их включе­ний, которая регламентирована мини­мальным числом циклов включено-отклю­чено. Например, аппараты, имеющие под­вижные изнашивающие части и работа­ющие при каждом пуске и торможении, испытывают на износоустойчивость (не менее 500 тыс. циклов) со смазкой изна­шивающихся частей до начала испыта­ний и после 250 тыс. циклов. Ревер­соры, разъединители, выключатели вы­держивают не менее 10 тыс циклов без дополнительного смазывания в процес­се испытаний. Электрические аппараты с пневматическим приводом, рассчитанным на номинальное давление сжатого возду­ха 5 МПа, сохраняют нормальную рабо­тоспособность при изменении давления от 0,375 до 0,675 МПа и температуре ок­ружающего воздуха от —30 до 40 °С, а также выдерживают без повреждения давления сжатого воздуха 0,75 МПа. При температуре от —30 до —50 °С допус­кается увеличение времени действия пневматических приводов в 1,5 раза по сравнению с временем при более высоких температурах.

Токоприемники

Назначение и параметры токоприемни­ков. Токоприемники служат для созда­ния электрического соединения между контактным проводом или контактным рельсом и электрическими цепями э.п.с. Конструкция токоприемников опреде­ляется расположением контактного про­вода или рельса относительно локомо­тива, током нагрузки, скоростью дви­жения подвижного состава, характером изменения расстояния между основанием токоприемника и контактным проводом, условиями управления подъемом и опус­канием токоприемников.

При верхнем или верхнем и боковом контактных проводах применяют панто- графные, дуговые, штанговые и боковые токоприемники; при контактном рель­се — рельсовые токоприемники. На ма­гистральном электроподвижном составе применяют токоприемники пантографно- го типа.

На каждом электровозе установлено по два токоприемника (кроме электро­воза ЧС200, имеющего четыре токопри­емника); в работе обычно находится только один, задний по ходу токопри­емник. Второй токоприемник является за­пасным, его поднимают в тех случаях, когда необходимо уменьшить искрение между полозом и контактным проводом при трогании или во время гололеда На электровозах ЧС200 одновременно в работе участвуют два токоприемника. На моторном вагоне электропоезда устанав­ливают по одному токоприемнику, так как эти вагоны работают по системе многих единиц и на их крышах смонтированы на высоковольтных изоляторах шины для соединения токоприемников при парал­лельной работе

Пантографные токоприемники обеспе­чивают надежный контакт с контактным проводом при больших скоростях движе­ния и токах, не требуют перестановки в случае изменения направления движе­ния, удобны для дистанционного управ­ления.

Применяемые токоприемники раз­личных типов значительно отличаются друг от друга, но все они в основном состоят из одних и тех же элементов: основания 1, укрепленного на изоляторах 8, установленных на кры­ше 9 электровоза или моторного вагона, системы подвижных рам 2 и 3, которая независимо от высоты контактной сети обеспечивает прилегание одного или двух полозов 5, снабженных контактными пластинами (накладками), скользящими по контактному проводу; рабочих пру­жин 6, обеспечивающих подъем подвиж­ных рам вместе с полозами и необходимое давление в контакте; пружин 4 кареток, механизма управления, позволяющего поднимать или опускать токоприемник. Для дистанционного управления токо­приемники снабжают пневматическим приводом 7, состоящим из одного или двух цилиндров с поршнями.

По способу действия привода разли­чают токоприемники, опускающиеся и поднимающиеся при подаче сжатого воз­духа в цилиндры привода. В первых пневматический привод действует против подъемных пружин и производит опуска­ние токоприемника В опущенном состоя­нии токоприемник удерживает специаль­ная защелка, снабженная электромаг­нитным приводом. Подъем происходит при включении цепи управления при­вода защелки. Такой механизм позво­ляет произвести подъем токоприемника при отсутствии на электровозе сжатого воздуха, не создает опасности для об­служивающего персонала,так как возмо­жен самопроизвольный подъем токопри­емника при различных неисправностях. Поэтому преимущественно, а в СССР исключительно применяют токоприемни­ки, поднимающиеся при подаче сжатого воздуха в цилиндры привода.

Нажатие полоза токоприемника на контактный провод при движении локо­мотива определяется в общем виде вы­ражением

Р_к = Ро±Р_тр + Р_у±т_тп^,

где Ро — нажатие, создаваемое подъем­ными пружинами; Р_тр — сила трения в шарнирах; Р_у — аэродинамическая подъ­емная сила, определяемая воздействием на токоприемник воздушных масс при движении локомотива; ш_1П — приведенная масса токоприемника ; —f—вер­тикальная составляющая ускорения по­лоза токоприемника.

Наличие трения в подвижной системе токоприемника способствует уменьше­нию амплитуды колебаний Вместе с тем большое трение снижает стабильность контактного нажатия Установлено, что при скорости движения менее 150 км/ч достаточно иметь суммарную силу трения во всех шарнирах подвижных рам токоприемника 5—7 Н. Алгебраическую сумму Ро и Р_тр называют статическим нажатием, а кривые изменения этого нажатия от высоты подъема полоза — статической характеристикой (рис 154) Сплошные кривые характеризуют актив­ное нажатие полоза Pi = Ро — Р_тр при его подъеме, а штриховые — пассивное нажатие Pi — Ро + Р_тр при опускании Разность между значениями Рг и Pi в каждой точке полоза по высоте подъема равна удвоенному значению сил трения шарниров токоприемника и характеризу­ет качество сборки и состояние его шарниров В пределах рабочей высоты (400—1900 мм от рабочей поверхности полоза в опущенном состоянии) разни­ца между нажатием полоза при подъеме и опускании обычно не превышает 20 Н Если скорость движения невелика, то сила нажатия изменяется в соответствии со статической характеристикой. С повы­шением скорости движения начинают сказываться инерционные силы, вызывае­мые вертикальными ускорениями поло­зов.

Оптимальное значение статического нажатия зависит от многих факторов: длительного тока, конструкции контакт­ной сети и токоприемника, материала и размеров контактных элементов поло­за (или полозов), климатических усло­вий и др

Для обеспечения нормальной работы токоприемника необходимо, чтобы проис­ходящие при движении э.п.с. изменения нажатия в контакте были возможно меньшими и не выходили за пределы установленных значений При уменьше­нии нажатия до нуля происходит отрыв полоза от контактного провода, вызы­вающий образование электрической дуги, электрический износ провода, повышение уровня радиопомех, а иногда и времен­ное прекращение питания цепей э п.с. Увеличение нажатия сверх установлен­ного приводит к повышенному износу трущихся поверхностей, а иногда и к повреждениям токоприемника и контакт­ного провода Эксплуатируемые токопри­емники имеют значительный разброс ста­тического нажатия: от 55 до 130 Н на участках постоянного тока и от 45 до 105 Н — переменного.



Рис. Принципиальная схема токоприемника (а), схема его замещения (б)

Рис. Статические характеристики при подъеме и опускании токоприемников типов ТЛ-13У и ТЛ-14М (кривые А), П-1В (кривые Б) и П-5А (кривые В)

Аэродинамическая составляющая Р_у зависит от конструкции токоприемника, скорости движения поезда, скорости и направления ветра, от формы крыши, лобовой поверхности локомотива и от положения на нем токоприемника. На­ибольшие аэродинамические воздействия испытывает передний токоприемник го­ловного локомотива. Значения Р_у с дос­таточной достоверностью могут быть определены лишь экспериментально Ус­тановлено, что при удовлетворительных значениях приведенной массы токоприем­ника токосъем с увеличением скорости движения не будет значительно ухуд­шаться, если при скорости 200 км/ч аэро­динамическая сила находится в преде­лах 50—80 Н для участков переменного тока и 80—100 Н —постоянного. Необ­ходимые аэродинамические характерис­тики получают, выбирая соответствую­щую форму полоза и профили под­вижных рам токоприемника. Эти характе­ристики зависят также от боковой ус­тойчивости (жесткости) токоприемника.

Оптимальная приведенная масса токо­приемника определяется конструкцией его подвижных частей, высотой подъема полоза и подвески контактной сети В верхнем положении полоза небольшое из­менение высоты сопровождается значи­тельными перемещениями подвижных рам и приведенная масса имеет наиболь­шее значение, в нижнем положении из­менение высоты сопровождается меньши­ми перемещениями рам и приведенная масса меньше. Гра ик изменения приве­денной массы в зависимости от высоты полоза называют динамической характе­ристикой токоприемника.

Уменьшение приведенной массы улуч­шает токосъем. Ее минимальное зна­чение обусловлено необходимостью обес­печить определенную токопроводность и прочность токоприемника.

В целях улучшения динамических свойств токоприемников стремятся большие массы подвижных частей (рам) т_р отделить пружинами от малых (по­лозов) т_п Тогда при прохождении то­коприемником мелких неровностей кон­тактной подвески перемещается только полоз. В этом случае в расчет дина­мических усилий вводят только приве­денную массу полоза (например, для то­коприемников П-1 — 11 Н-с /м, П-3, 9РР, 13РР —22 Н-с²/м. По этим же причинам все детали подвижной системы токоприемников выполняют

возможно бо­лее легкими (из тонкостенных высоко­качественных стальных труб и сварных тонкостенных конструкций), а для умень­шения потерь на трение, особенно в нижних наиболее нагруженных шарни­рах, применяют шариковые подшипники и подшипники из синтетических матери­алов.

Существенное влияние на качество токосъема оказывает также и материал сменных вставок полоза. Вставки изго­товляют из материала с малым удельным сопротивлением, стойкого к дугообразо- ванию, обладающего достаточно высокой износостойкостью и в то же время обеспечивающего минимальный износ контактного провода. Широко применяе­мые за рубежом и в СССР медные контактные накладки вызывают интен­сивный износ контактного провода и быстро изнашиваются сами В СССР мед­ные накладки первоначально применяли в сочетании с консистентной графито­вой смазкой, а с 1960 г. начали исполь­зовать более совершенную твердую гра­фитовую смазку В последние годы расширяется применение контактных вставок из так называемых самосмазы­вающихся материалов — угольные встав­ки, металлокерамические на железной или медной основе

Угольные вставки изготовляют из угольно-графитовых обожженных ком­позиций. Срок службы угольных вставок превосходит срок службы медных накла­док Однако угольные вставки имеют от­носительно высокое удельное сопротив­ление. Это вызывает увеличение потерь энергии в контакте и повышает опасность пережога контактного провода при корот­ких замыканиях на э.п.с. во время стоян­ки, когда происходит местный нагрев про­вода. Поэтому угольные вставки приме­няют лишь при надежной и достаточно быстродействующей защите контактной сети от токов к.з. По той же причине затруднено применение угольных вставок на пассажирских электровозах постоян­ного тока при питании от токоприемни­ка цепей электроотопления поезда, когда во время стоянки неподвижный контакт нагружается током 200—300 А и более.

В Японии широко применяют метал- локерамические вставки на медной осно­ве, которые также являются самосмазы­вающимися и существенно снижают износ контактного провода, хотя и не­сколько уступают в этом угольным.

Вставки из самосмазывающегося мате­риала полируют контактную поверхность провода, что и обеспечивает наименьший износ контактного провода, увеличивая срок его службы в несколько раз, и снижают уровень радиопомех. Сущест­венным преимуществом угольных вставок является уменьшение на 1% ежегодных потерь энергии и резкое снижение по­мех радиоприему, вызываемых работой токоприемников.

Медные накладки нарушают полировку провода, вызывая повышенный износ провода и угольных или металлокера- мических вставок при совместной работе иа одном участке э.п.с. с разными встав­ками. Поэтому эксплуатация э.п.с с мед­ными накладками и вставками из само­смазывающихся материалов ие допуска­ется Угольные вставки можно эксплуа­тировать совместно с металлокерамичес- кими. Это позволяет применить метал- локерамические вставки на токоприемни­ках пассажирских электровозов с тем, чтобы исключить возможность пережога провода во время их стоянки, и уголь­ные вставки на токоприемниках грузовых электровозов и электропоездов.

Автоматические выключатели

Общие сведения. Автоматические вы­ключатели на э. п.с. применяют для за­щиты оборудования силовых цепей от токов короткого замыкания (к. з.) и от возникновения круговых огней по кол­лекторам тяговых двигателей, перебросу дуги с токоведущих частей на заземле­ние. В ряде случаев автоматические вы­ключатели используются для так на­зываемых оперативных включений и от­ключений силовой цепи, например, при проезде нейтральных вставок электро­возами или моторными вагонами пере­менного тока, проведении каких-либо работ в высоковольтной камере, необ­ходимости включения и отключения уст­ройств отопления и т. д.

К автоматическим выключателям обыч­но предъявляют требования исходя из допустимой динамической и термической устойчивости защищаемого оборудо­вания. Так, во избежание кругового огня ток к. з. не может превышать 5—8-крат­ного значения тока двигателя при часо­вом режиме. При этом длительность тока выше предельного по коммутации не должна превышать 4—8 мс, а напря­жение на обмотке якоря не должно быть более 2,5—3 кВ.

В эксплуатации скорость нараста­ния тока к. з. достигает 200—600 А/мс, его установившиеся значения—15 000— 18 000 А, при напряжении 220 В пре­дельный ударный ток составляет 40 000 А. В месте к. з. выделяется большое ко­личество тепла, вызывающее повреж­дение металлических и изоляционных деталей.

Особую трудность представляет за­щита тяговых двигателей в режиме ре­куперации, так как при этом из цепи двигателей исключены их обмотки воз­буждения, обладающие значительной ин­дуктивностью, что приводит к увеличе нию скорости нарастания тока к. з. Ав­томатические выключатели должны огра­ничивать токи глухих к. з. в пределах, допускаемых тяговыми двигателями и самим выключателем. Ограничивая ток к. з., эти выключатели одновременно обеспечивают селективность (избира­тельность) работы подстанционной за­щиты и защиты локомотива.

Коммутационная способность быстро­действующих выключателей определяет­ся прежде всего размерами дугогаситель-ных камер. Например, отключающая спо­собность выключателей БВП-ЗА и БВП-5 с учетом ограничения тока ие превышает 12 000 — 20 000 А.

Скорость отключения и степень огра­ничения тока к. з. зависят как от пара­метров цепи к. з., так и от конструкции выключателя. Ток i в цепях постоянного тока нарастает по экспоненциальному закону.

По времени отключения автоматиче­ские выключатели разделяют на обык­новенные и быстродействующие. У быст­родействующих выключателей полное время отключения t_6e(кривые 2 и 4 на рис. 187) в несколько раз меньше, чем у обыкновенных t_OB(кривые 1 и 3). Пол­ное время отключения t_6sи /_ов от момента



Рис. Кривые изменения тока короткого замыкания и напряжения при разрыве цепи быстродействующим и обычным выключате­лями.

достижения током к з. тока уставки /_у до момента полного гашения дуги

где t_l6aи i_loB — время срабатывания вы­ключателя — от момента достижения то­ка уставки /_у до момента начала рас­хождения главных контактов; t_26Bи t_2oB— время гашения дуги — от момента ее воз­никновения до момента исчезновения. Составляющие t_lot>и t_l6aопределяются конструкцией механизма размыкания ап­парата и в большой степени зависят от способа расцепления подвижной систе­мы, силы выключающих пружин, массы подвижных частей, характера изменения тока и перемещений, предшествующих отрыву подвижного контакта. Снижение величин t_l6eи г_1ов имеет существенное значение, так как от них зависят токи

выключателей собственное время состав­ляет 0,002 — 0,008 с, у обычных оио на­ходится в пределах 0,02 — 0,08 с. Вели­чины t_2oBи *2бв зависят от эффективности применяемого дугогасительного устрой­ства, индуктивности цепи и максималь­ного тока, достигаемого в процессе вы­ключения. Для обыкновенных выключа­телей полное время отключения состав­ляет 0,1—0,3 с, для быстродействую­щих — 0,02—0,06 с.

Как видно из рис. 187, максимальный ток силовой цепи при выключении быст­родействующим выключателем /_{д тах 6в} значительно ниже максимального тока Стахов ^ПР^И размыкании цепи обыкновен­ным выключателем. Поэтому осущест­вить защиту от к. з. обычным автомати­ческим выключателем не представляется возможным, так как он отключал бы ток уже после достижения им максималь­ного значения. Кроме того, прервать дугу при больших токе, индуктивности и на­пряжении более 3000 В обыкновенным выключателем очень трудно.

В равных условиях автоматические вы­ключатели по-разному ограничивают ток короткого замыкания. Степень этого ограничения характеризуется коэффи­циентом ограничения

к.з мах — максимальное значение тока к. з., неотключаемой цепи; /_8тах— максимальное значение тока к. з. при от­ключении ее выключателем.

Коэффициент ограничения увеличи­вается с увеличением индуктивности цепи и уменьшением ее активного сопротив­ления. Увеличение тока /_кз тах сопровож­дается увеличением амплитуды тока от­ключения /_атах. При некотором наиболь­шем /_кз тах выключатель не способен ра­зорвать дугу в пределах дугогасительной камеры. Наибольшее значение /_кз тах, при котором выключатель еще может при наибольшем возможном напряжении в сети и наибольшей возможной для этих условий ее индуктивности надежно от­ключить защищаемую цепь, называют отключающей способностью выклю­чателя.