В последнее время быстродействующие предохранители все шире применяются для защиты цепей различных силовых полупроводниковых устройств, в том числе и преобразователей тяговых решений ЖД и электротранспорта. В свою очередь, применение предохранителей в тяговых решениях имеет ряд особенностей, накладывающих более жесткие требования к защитным устройствам. Это связано с более широким диапазоном рабочих температур, требованиям по ударо- и виброустойчивости. Но более важными и критичными особенностями, влияющими на требования к конструктивному исполнению и характеристикам предохранителей, являются импульсный и цикличный профиль нагрузки, широкое применение в цепях постоянного тока, высокие значения постоянной времени для контактных сетей и приводов постоянного тока. Помимо преобразователей питания для двигателей, в подвижном составе есть много электрических цепей, которые требуют защиты, к примеру: освещение, отопление, кондиционирование воздуха, управление дверьми, воздушные компрессоры для тормозов и дверей. В старых системах многие из этих цепей защищались специализированными предохранителями постоянного тока, которые Bussmann поставляет в широком ассортименте. Бортовые системы более современного оборудования обычно используют питание переменного тока, обеспечиваемое вспомогательными преобразователями. Для защиты этих систем применяют как «стандартные» промышленные предохранители переменного тока, так и специальные для применения конкретно в оборудовании подвижного состава. С целью обеспечения гарантированного электропитания устанавливают два или более таких преобразователей.
Рис. 1. Типовое применение предохранителей в оборудовании электротранспорта
При выборе предохранителей для основной системы питания подвижного состава необходимо учитывать как условия нормальной эксплуатации, так и условия аварийной ситуации. Старт-стоповый характер работы преобразователей привода подвижного состава обуславливает экстремальную цикличность работы всех компонентов. Ток через плавкую вставку резко возрастает во время ускорения и торможения рекуперацией, а при движении поезда по инерции снижается до минимума. Такой режим является стрессовым для плавких предохранителей, и поэтому для обеспечения длительного срока службы необходимо правильно рассчитать их основные параметры. Предохранитель должен быть рассчитан на среднеквадратичное значение (RMS) тока общего цикла нагрузки, при этом выдерживая импульсы, связанные с ускорением и торможением. В аварийных условиях ток короткого замыкания в системах питания «третьего рельса» может быть чрезвычайно высоким при нахождении вблизи подстанций. На больших расстояниях от подстанций постоянная времени цепи, вызванная высокой погонной индуктивностью стального рельса, будет очень большой, а ток короткого замыкания может быть относительно низким. Соответственно, плавкие предохранители должны быть выбраны так, чтобы обеспечить защиту в достаточно широком диапазоне возможных аварийных токов при различных постоянных времени цепи. Поэтому специалистами компании Bussmann были разработаны специальные плавкие вставки, которые хорошо работают в этих сложных условиях. Наиболее важно правильно определить требуемые номиналы тока и напряжения. Напряжение контактной сети в тяговых системах может изменяться на различных участках пути, в зависимости от удаленности от тяговых подстанций. Рекуперативное торможение также может привести к всплеску напряжения. Номинал напряжения предохранителя должен быть равен или выше максимального возможного значения напряжения в системе. Правильное определение номинального тока плавкого предохранителя требует учёта следующих важных параметров:
1) Среднеквадратичное значение тока на протяжении маршрута, в течение дня или для определенных участков пути;
2) Пиковые токи и длительность каждой последовательности стоп-старт-стоп;
3) Окружающая температура в месте установки предохранителя;
4) Наличие воздушного охлаждения (обдува);
5) Сечение токоподводящих шин.
Долговечность плавкого предохранителя зависит от способности плавкой вставки выдерживать действующий ток в течение всего срока службы подвижного состава. Для большинства оборудования подвижного состава токи могут быть определены компьютерным моделированием. Если имеются данные компьютерного моделирования в форме электронных таблиц, то несложно определить RMS (среднеквадратичное значение) тока рабочего цикла (рис. 2). Среднеквадратичное значение тока, полученное из профиля, является основой для определения номинального тока плавкого предохранителя.
Рис.2. Типичный профиль нагрузки тягового оборудования.
Определение номинального тока предохранителя включает в себя корректировку среднеквадратичного значения тока в зависимости от температуры окружающей среды, наличия обдува, контактной плотности тока:In > = Ib / (Kt * Ke * Kv) Где In - Номинальный ток предохранителя;
Ib - Среднеквадратичный ток нагрузки в цепи, действующий в течение длительного времени;
Kt - Коэффициент окружающей температуры воздуха;
Ke - Коэффициент контактной плотности тока;
Kv - Коэффициент воздушного потока.
Температура окружающей среды сильно влияет на выбор номинального тока плавкого предохранителя. В общем случае номинальный ток плавкого предохранителя снижается на 0,5% для каждого градуса Цельсия, если температура окружающей среды выше 25°C. Определить поправочный коэффициент температуры можно по графику на рис.3.
Рис. 3. Определение поправочного коэффициента к номинальному току в зависимости от окружающей температуры.
Высокое быстродействие предохранителей достигается повышением плотности тока в перешейках плавких элементов, вызывающим при этом сильный нагрев корпуса предохранителя. Поскольку большая часть выделяемого в предохранителе тепла отводится через токоподводящие шины, то их сечение оказывает большое влияние на характеристики предохранителя. По рекомендациям специалистов компании Bussmann плотность тока в токоподводящих шинах должна быть не более 1,3 А/мм2. Если фактическая плотность тока в шинах больше этого значения, то следует скорректировать номинал предохранителя с помощью коэффициента, определяемого по графику на рис.4.
Рис. 4. Определение поправочного коэффициента к номинальному току в зависимости от плотности тока.
Если плавкий предохранитель будет подвергаться локальному воздушному обдуву (например, плавкий предохранитель установлен так, что движение поезда заставляет воздух течь через бокс, в котором установлены плавкие предохранители),это позволит скорректировать требуемое значение номинального тока плавкого предохранителя в меньшую сторону (рис.5).
Рис. 5. Определение поправочного коэффициента к номинальному току в зависимости от скорости охлаждающего воздушного потока.
После выбора номинала предохранителя необходимо также оценить запас прочности выбираемого предохранителя по отношению к максимальным импульсам нагрузки. Рассмотрим это на следующем примере: Имеется профиль нагрузки со среднеквадратичным значением тока Ib=1016 А и следующими пиковыми значениями: 1600 А в течение 40 с, 1900 А в течение 20 с и 1200 А в течение 7 с (Рис.6). Окружающая температура равна 450С, без обдува, сечение шин обеспечивает плотность тока менее 1,3 А/мм2.
Рис. 6. Профиль тока с пиковыми значениями.
В соответствии с исходными данными и коэффициентами, определенными по приведенным выше графикам, определяем требуемый номинал тока предохранителя: In > = Ib / (Kt * Ke * Kv) = 1016 / (0.88 * 1 * 1) = 1155 А После выбора предохранителя, с ближайшим стандартным значением номинала тока, оцениваем по времятоковой характеристике возможность использования данного предохранителя с учетом заданных импульсов нагрузки (Рис. 7). Коэффициент прочности, учитывающий импульсный характер нагрузки оборудования подвижного состава, равен 2. То есть, пиковые значения токов перегрузки умножаются на 2 и при этом не должны достигать значений тока плавления время-токовой кривой для соответствующего временного промежутка (Рис. 7).
Пики нагрузки:
1600 А в течение 40 с
1900 А в течение 20 с
1200 А в течение 7 с
Рис. 7. Оценка запаса прочности выбранного предохранителя по пиковой нагрузке.
Время-токовая кривая должна лежать правее значений:
2х1600 А (3200 А) для 40 с,
2х1900 А (3800 А) для 20 с,
2х1200 А (2400 А) для 7 с.
Выполнив данную проверку мы можем быть уверены, что несмотря на импульсные перегрузки данный предохранитель будет надежно работать длительный период времени. Также при выборе конкретного предохранителя необходимо учитывать значение показателя тепловой энергии I2t, указываемого производителем в таблицах каталогов. Параметр предохранителя I2t должен быть меньше аналогичного показателя защищаемого устройства, например IGBT-модуля или тиристора. В некоторых случаях для соответствия этому условию требуется выбор другой модели предохранителя или даже изменение номинала тока. В мощных преобразователях сложно обеспечить защиту конкретных отдельных полупроводниковых элементов. Однако, когда задействовано несколько полупроводниковых устройств параллельно, то установив плавкие предохранители в цепи каждого ключа, можно изолировать цепь отказавшего компонента, тем самым сохраняя работоспособность устройства в целом. Кроме того, предохранитель предотвращает взрыв компонентов защищаемой цепи. К чему может привести взрыв даже одного неисправного компонента, можно посмотреть на сайте Bussfuse.ru. Как правило, при этом выходит из строя не только данная схема, но и соседние модули и блоки. Использование быстродействующего предохранителя позволит не только сделать схему безопасной, но и на несколько порядков сократит затраты на восстановление оборудования. Не менее важно также правильно определиться с характеристикой предохранителя. Предохранители gR (полный диапазон) по отключающей способности рассчитаны как на токи короткого замыкания, так и на токи перегрузки. Предохранители же с характеристикой aR обеспечивают защиту только от значительных токов короткого замыкания и не предназначены для работы с длительными перегрузками. Есть еще ряд факторов, которые также необходимо учитывать: максимальная отключающая способность, минимальный ток, который предохранитель способен прервать, вибрация. В каталогах Bussmann есть модели с различным конструктивным исполнением, типом контактов и т.д. В качестве практического примера использования предохранителей Bussmann можно привести вариант применения предохранителя типа 170E3919 с рабочим током 63 А, в статическом преобразователе собственныхнужд (ПСН) мощностью 100 кВА (рис.8).
Рис. 8. Установка предохранителя 170E3919 в ПСН-100.
В данном приложении предохранитель установлен на входе высоковольтного преобразователя напряжения с входным напряжением 2200 – 4000 В. Основная функция предохранителя – защитить полупроводниковые компоненты при аварийных ситуациях в преобразователе, поэтому по параметру I2t предохранитель подобран в соответствии с рекомендациями, изложенными выше. С другой стороны, предохранитель обеспечивает возможность работы преобразователя в режиме пиковых интервалов токов нагрузки и, что немаловажно, выдерживает кратковременные импульсные токи заряда входных емкостей преобразователя (рис. 9).
Рис. 9. Пусковой ток через предохранитель 170E3919 в режиме заряда входных емкостей преобразователя.
В различных системах варьируется применение защиты быстродействующими предохранителями или быстродействующими автоматическими выключателями. Быстродействующие автоматические выключатели целесообразно применять при относительно небольших аварийных токах с большой постоянной времени. Тогда как быстродействующие предохранители надежнее прерывают большие токи с относительно малой постоянной времени. Применяется также комбинированная защита, когда предохранитель защищает автоматический выключатель в случае значительного аварийного тока. Правильный выбор защитных устройств чрезвычайно важен для обеспечения надежной и продолжительной работы оборудования тягового подвижного состава железных дорог и метрополитена. Упущение какого-либо из факторов, влияющих на правильный выбор предохранителей, может привести как к преждевременному выходу их из строя, так и к повреждению дорогостоящего и критически важного оборудования. К таким же печальным последствиям может привести использование предохранителей, не предназначенных для использования в описанных выше условиях.
Благодаря надежности и широкому ассортименту, предохранители Bussmann применяются в тяговых и других силовых приложениях по всему миру, в том числе в метрополитене, железных дорогах, судостроении и авиации. Большое количество испытаний подтверждено многочисленными сертификатами в разных странах мира, в том числе и на соответствие требованиям РС ФЖТ (ТР ТС 001/2011).
В нашем каталоге предохранителей вы можете cамостоятельно осуществить подбор устройства для конкретного применения с помощью удобного фильтра по параметрам, предварительно определенным в соответствии с вышеизложенными рекомендациями.
Авторы
- Руслан Черекбашев
- Виталий Хаймин
- Дмитрий Жикленков