СПОСОБ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВОЙ ГРУППЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ЭЛЕКТРОВОЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01R27/18 B60L3/00 

Изобретение относится к области электротехники, предназначено для оценки сопротивления изоляции силовых цепей и может быть использовано на железнодорожном электроподвижном составе переменного тока.

Для поддержания надежности работы электрооборудования электровозов переменного тока и исключения внезапных пробоев на заземленные части периодически контролируется сопротивление изоляции. Замеры сопротивления изоляции производятся на позициях ремонта в условиях депо в соответствии с установленными ОАО «РЖД» нормами пробега по планово-предупредительной системе ремонта [1]. Отсутствие контроля изоляции во время эксплуатации при практически постоянно экстремальных условиях работы приводит к деградации, а далее и к пробоям изоляции в силовой цепи электровоза во время движения по перегону задолго до плановой постановки на ремонт. Это приводит к остановке поезда, вызову вспомогательного локомотива, задержке движения по занятому перегону, постановке электровоза на неплановый ремонт и значительным финансовым затратам. Своевременное обнаружение в эксплуатации снижения изоляции силовых цепей позволит заблаговременно исключить постановку аварийного электровоза в поезд и значительно снизить негативные последствия.

Из технического уровня известен способ измерения сопротивления изоляции силовых цепей тепловозов с реализацией одновременной защиты от замыканий на корпус [2]. Способ заключается в подключении к разнопотенциальным полюсам силовой цепи постоянного тока тепловоза двух последовательно соединенных резисторов. В место их соединения одним концом подключают две измерительные цепи, состоящие из резистора, датчика напряжения и диода, другим концом подключаются к корпусу тепловоза. Производится измерение падения напряжения на полюсах силовой цепи постоянного тока и на резисторах измерительных цепочек. По полученным параметрам рассчитывают сопротивление изоляции отдельно положительной и отрицательной цепей. При снижении одного из сопротивлений ниже установленного порогового значения силовая цепь обесточивается.

Недостаток способа заключается в необходимости осуществления контакта между силовой цепью и корпусом локомотива. Так как работа оборудования электровозов осуществляется в условиях запыленности, это создает риск возникновения пробоя в измерительных цепях.

Известен способ диагностики сопротивления изоляции силовых цепей электрического оборудования электроподвижного состава [3]. Способ заключается в непрерывном определении тока утечки через изоляцию силовой цепи. Для измерения параметров формируется испытательное напряжение, которое прикладывается между силовой схемой и корпусом электровоза. Возникающий ток утечки контролируется с помощью датчика тока. По величине тока утечки рассчитывается сопротивление изоляции.

Достоинство способа заключается в непрерывном получении информации о состоянии изоляции при протекании тока в силовой цепи электроподвижного состава.

Недостаток способа заключается в значительной погрешности измерения сопротивления изоляции электровоза в движении, которая возникает по причине работы выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровоза. Коммутация силовых полупроводниковых приборов, а также резкие изменения мгновенного напряжения в силовой цепи вызывают искажения измеряемых параметров. Датчик тока, установленный последовательно в силовой цепи электровоза, снижает надежность.

Известен способ диагностики сопротивления изоляции силовой цепи электровозов переменного тока, принятый за прототип. Способ основан на непрерывном определении тока утечки через сопротивление изоляции и используется на отечественных магистральных электровозах переменного тока ВЛ80р, ВЛ85, 2(3/4)ЭС5К и др. [4-6]. Способ реализуется приложением напряжения между силовой схемой электровоза и его корпусом, источник напряжения представлен трансформатором и диодным мостом. В качестве чувствительного элемента используется катушка реле заземления (РЗ), которая подключена одним концом к диодному мосту, а другим к корпусу электровоза. При снижении сопротивления изоляции ток утечки в цепи включающей катушки РЗ увеличивается. При достижении порогового значения, которое находится в переделах 0.14-0.19 А, в магнитопроводе РЗ появляется магнитный поток, создающий силу, притягивающую якорь к сердечнику РЗ. Реле заземления срабатывает, и происходит отключение силовой цепи электровоза от питания.

Достоинство способа заключается в непрерывном обеспечении защиты силовой цепи электровоза от пробоя на корпус в эксплуатации.

Недостаток способа заключается в том, что диагностируется снижение изоляции силовой цепи только при достижении порогового значения тока утечки, т.е. при срабатывании защиты и остановке электровоза с поездом, отсутствует возможность заблаговременно выявить снижение состояния изоляции для не допуска аварийного электровоза под поезд и на перегон.

В основе изобретения лежит задача снижения количества отказов электровозов переменного тока в эксплуатации, обеспечивая возможность непрерывной оценки уровня сопротивления изоляции в эксплуатации.

Задача решается с помощью способа оценки максимально возможного и минимально возможного сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока электровозов при их эксплуатации, основанного на непрерывном определении тока утечки, при этом гальванически развязанными друг от друга измерительными каналами напряжения постоянного тока измеряются напряжение на катушке реле заземления в силовой цепи электровоза, которое пересчитывается в ток утечки, напряжение диодного моста, которое пересчитывается в минимально возможное сопротивление изоляции, напряжение, выдаваемое выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза, которое пересчитывается в максимально возможное сопротивление изоляции, и выводится диапазон текущего сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока.

Для реализации способа не требуется дополнительно прикладывать испытательное напряжение к изоляции, что исключает её подсушивание и растрескивание во время контроля, а также отсутствует необходимость дополнительного источника испытательного напряжения. При этом не выполняется дополнительно контакт между силовой цепью и корпусом локомотива измерительными цепями. Расчёт сопротивления изоляции ведётся за счёт трёх каналов измерения напряжения, подключенных параллельно к штатным устройствам локомотива.

Предлагаемое устройство для реализации данного способа поясняется на Фиг.1 в расчёте на одну тележку электровоза. Силовая часть электровоза на Фиг.1 состоит из тягового трансформатора ТТ, выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП, сглаживающих реакторов СР1 и СР2, обмоток якорей ОЯ1, ОЯ2 и обмоток возбуждения ОВ1, ОВ2 тяговых двигателей. Защита от пробоя на корпус силовой цепи осуществляется с помощью реле заземления РЗ, подключённого к диодному мосту D1-D4, который получает питание от трансформатора Т1, подключённого к обмоткам собственных нужд ОСН тягового трансформатора. При возникновении пробоя, например, в обмотке возбуждения второго тягового двигателя (ОВ2), контур протекания тока утечки замыкается через условно показанное сопротивление изоляции силовой R_из. Контур протекания тока следующий: точка высокого потенциала вторичной обмотки трансформатора Т1, диодный мост D1-D4, обмотка возбуждения ОВ2, сопротивление изоляции R_из, корпус электровоза, реле заземления РЗ, диодный мост D1-D4, точка низкого потенциала вторичной обмотки трансформатора Т1. Для оценки максимально возможного сопротивления изоляции дополнительно ведены три гальванически развязанных канала измерения напряжения, информация с которых преобразуется в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП и процессором пересчитывается в ток утечки и диапазон текущего сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока. С помощью одного измерительного канала через гальванический развязывающий усилитель У1 измеряется падение напряжения U_рз на катушке реле заземления, которое пересчитывается в ток утечки I_ут по формуле:

,

где R_рз - сопротивление катушки реле заземления, величина известная из эксплуатационной документации соответствующих серий электровозов, например, из источников [4-6].

С помощью второго измерительного канала через гальванический развязывающий усилитель У2 измеряется напряжение U_дм диодного моста D1-D4, которое пересчитывается в минимально возможное сопротивление изоляции R_{из_мин}, по формуле:

.

Третьим измерительным каналом через гальванический развязывающий усилитель У3 измеряется напряжение U_ВИП, выдаваемое выпрямительно-инверторным преобразователем ВИП, которое пересчитывается в максимально возможное сопротивление изоляции R_{из_макс} по формуле:

.

Рассчитанный диапазон текущего сопротивления изоляции в последующем может быть выеден на индикатор сопротивления изоляции. При этом электровоз может содержать несколько силовых групп постоянного тока с индивидуальным или потележечным контролем от пробоя на корпус.

Работает устройство следующим образом. Гальванически развязанными каналами измеряется напряжение, причем первый канал измерения напряжения подключен к катушке реле заземления и предназначен для измерения сигнала, необходимого для пересчёта напряжения в ток утечки. Второй канал измерения подключён к выводам постоянного напряжения диодного моста и предназначен для измерения сигнала, необходимого для расчёта минимально возможного сопротивления изоляции. Третий канал измерения напряжения подключён к положительному и отрицательному выводам выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза и предназначен для измерения сигнала необходимого для расчёта максимально возможного сопротивления изоляции. При этом гальванически развязанные каналы измерения напряжения подключены к блоку вычисления сопротивления изоляции, состоящему из аналого-цифрового преобразователя, процессора и индикатора текущего сопротивления изоляции. Блоку вычисления сопротивления изоляции осуществляет преобразование сигнала от гальванически развязанных каналов измерения напряжения, расчёт и вывод диапазона текущего сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока электровоза.

Таким образом, с помощью предложенного способа и устройства обеспечивается непрерывная оценка уровня сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока электровозов.

Техническим результатом предлагаемых способа и устройства является снижение количества отказов электровозов в эксплуатации.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. О системе технического обслуживания и ремонта локомотивов ОАО «РЖД» : распоряжение ОАО «РЖД» № 2796р с изм. от 21.09.2018 г. № 2070р. - URL: https://prorzd.ru/2018/02/18/2796p/

2. Патент RU 2 488 129.

3. Патент RU 2 590 221.

4. Электровоз ВЛ80Р: Руководство по эксплуатации [Текст] / Под ред. Б.А. Тушканова. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с.: ил., табл.

5. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К): Руководство по эксплуатации [Текст] / Новочеркасск: 2007. т. 1 - 635 с., т. 2 - 640 с.

6. Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, Л.А. Позднякова и др. Электровоз ВЛ-85. Руководство по эксплуатации. М., 1992, 480 с.

Изобретение относится к области электротехники, предназначено для оценки сопротивления изоляции силовых цепей и может быть использовано на железнодорожном электроподвижном составе переменного тока. Сущность: способ оценки максимально возможного и минимально возможного сопротивления, при котором гальванически развязанными каналами измеряются напряжение на катушке реле заземления, напряжение диодного моста и напряжение, выдаваемое выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза. По измеренным величинам рассчитывается ток утечки и диапазон текущего сопротивления изоляции. Устройство для реализации способа содержит три гальванически развязанных канала измерения напряжения, информация с которых преобразуется в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя и процессором пересчитывается в ток утечки и диапазон текущего сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока. Технический результат: снижение количества отказов электровозов в эксплуатации. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оценки максимально возможного и минимально возможного сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока электровозов при их эксплуатации, основанный на непрерывном определении тока утечки, отличающийся тем, что гальванически развязанными друг от друга измерительными каналами напряжения постоянного тока измеряются напряжение на катушке реле заземления в силовой цепи электровоза, которое пересчитывается в ток утечки, напряжение диодного моста, которое пересчитывается в минимально возможное сопротивление изоляции, напряжение, выдаваемое выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза, которое пересчитывается в максимально возможное сопротивление изоляции, и выводится диапазон текущего сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока.

2. Устройство оценки сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока электровозов для осуществления способа по п. 1, содержащее трансформатор, питающий диодный мост, соединенный одним концом с одной или более силовой группой постоянного тока электровоза, состоящей как минимум из выпрямительно-инверторного преобразователя, одного или более сглаживающих реакторов и одного или более тяговых электродвигателей, и другим концом с катушкой реле заземления, подключённой последовательно с корпусом электровоза, отличающееся тем, что имеет дополнительно три гальванически развязанных канала измерения напряжения, блок вычисления сопротивления изоляции, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, процессора и индикатора текущего сопротивления изоляции, причем первый канал измерения напряжения подключен к катушке реле заземления и предназначен для измерения сигнала, необходимого для пересчёта напряжения в ток утечки, второй канал измерения подключён к выводам постоянного напряжения диодного моста и предназначен для измерения сигнала, необходимого для расчёта минимально возможного сопротивления изоляции, третий канал измерения напряжения подключён к положительному и отрицательному выводам выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза и предназначен для измерения сигнала, необходимого для расчёта максимально возможного сопротивления изоляции, гальванически развязанные каналы измерения напряжения подключены к блоку вычисления сопротивления изоляции, осуществляющему преобразование сигнала от гальванически развязанных каналов измерения напряжения, расчёт и вывод диапазона текущего сопротивления изоляции силовой группы постоянного тока электровоза.