Автореферат (Транзисторное устройство защиты авиационных систем распределения электроэнергии от аварийных электрических разрядов)

На правах рукописиКУЛИКОВСКИЙ КИРИЛЛ ВЛАДИСЛАВОВИЧТранзисторное устройство защиты авиационных систем распределенияэлектроэнергии от аварийных электрических разрядовСпециальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»АВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работавыполненанакафедре306«Микроэлектронныеэлектросистемы»вфедеральномгосударственномбюджетномобразовательномучреждениивысшегообразованияМосковскомавиационном институте (национальном исследовательском университете).Научный руководитель:доктор технических наук, профессорМашуков Евгений ВладимировичОфициальные оппоненты:д.т.н., профессор Лукин АнатолийВладимирович, генеральный директорзакрытого акционерного общества «ММПИрбис» (г.

Москва)к.т.н. Манбеков Дмитрий Рауфович, начальниксектора акционерного общества«Государственный научно-исследовательскийинститут приборостроения» (г. Москва)Ведущая организация:акционерное общество «Аэроэлектромаш»,127015, г. Москва, ул. Б. Новодмитровская,д. 12.Защита состоится 29 ноября 2016 г. в 13:30 на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.07 в Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете) по адресу: г. Москва,Волоколамское шоссе, д.4, главный административный корпус, зал заседанийУченого совета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета) ина сайте: http://www.mai.ru/events/defence.Ваш отзыв на автореферат в количестве двух экземпляров, заверенныхпечатью, просьба направлять по адресу: 125993, г.

Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д.4, Ученый совет МАИ.Автореферат разослан «____» ___________ 2016 г.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 212.125.07В.С. Степанов3Актуальность темы. Явление электрической дуги (в английскомязыке «arc fault» – аварийная дуга, в немецком «Lichtbogen» – электрическаядуга) изучено достаточно полно как с позиций её использования (например,для электросварки), так и с позиций борьбы с ней в контактнойвысоковольтной аппаратуре.

Начиная примерно с 2000 года, числоисследований по ликвидации дуги в самолётных системах электроснабжения(СЭС) резко увеличилось. Толчком к этому послужили две тяжёлыеавиационные катастрофы пассажирских самолётов в 1996 и 1998 годах,причинами которых предположительно стали возгорания после образованияаварийных электрических разрядов. К 2000 году в США была разработанапрограмма, направленная на разработку средств борьбы с аварийнымиэлектрическими разрядами в бортовых системах летательных аппаратов. Впоследующее десятилетие работы в данном направлении существенноинтенсифицировались.Наряду с самолётными системами, необходимость борьбы саварийнымиэлектрическимидугамивозниклауразработчиковавтомобильных СЭС в связи с тенденцией к повышению бортовогонапряжения постоянного тока до уровня 36…42 В.

В последние годывозросло число публикаций по методам борьбы с аварийными дугами вназемных системах электропитания бытовой техники от солнечных батарей сповышенным уровнем напряжения. Однако, проблема обнаружения иликвидации дуги в самолётных системах оказалась существенно сложнее,чем в наземных или в автомобильных по нескольким причинам, а именно:− в силу наличия значительных по амплитуде пульсаций сетевыхнапряжений широкого частотного спектра, которые могут бытьприняты за помехи от дуги;− из-за наличия электрических нагрузок, создающих дополнительныециклические помехи в сети;− из-за внедрения перспективных СЭС с повышенным напряжениемпеременного тока 230/400 В и систем постоянного тока повышенногонапряжения 270 В, в которых условия возникновения дуги особенноблагоприятны;− из-заналичияпереходныхпроцессовприкоммутациимногочисленных бортовых нагрузок;− в силу значительных по амплитуде всплесков напряжения в сетяхпри отключении индуктивных нагрузок;− из-за отсутствия в системах переменного тока нулевого провода, а всистемах постоянного тока – минусового провода (в качестве4которых используется металлический корпус самолёта), чтозатрудняет использование дифференциальных защит.Наименее затратным путём реализации защиты от аварийных дуговыхразрядов является разработка функционально необходимых электронныхсредств в качестве дополнения к существующей контактной илибесконтактной коммутационно-защитной аппаратуре (КЗА).

Это могут бытьдополнительные электронные блоки в тепловых аппаратах защиты,дополнительные блоки в транзисторных аппаратах защиты и коммутации(АЗК), которые в зарубежной литературе обозначаются как SSPC (Solid StatePower Controller). Наибольшее поле для исследований предоставляюттрадиционные низковольтные авиационные системы постоянного тока, какне имеющие функциональных наземных прототипов, а также содержащиеразветвлённые структуры и весьма разнообразные электрические нагрузки.Цель и задачи работы: разработка методов защиты авиационныхнизковольтных электросетей постоянного тока от аварийных дуговыхразрядов и средств технической реализации этих методов в видетранзисторных устройств защиты от перегрузок по току с дополнительнымифункциями индикации и ликвидации аварийных дуговых разрядовпараллельного и последовательного типов.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи.1.Провести анализ и классифицировать известные методыиндикации и ликвидации аварийных дуговых разрядов в наземных ибортовых системах электроснабжения.2.Разработать методы и технические средства индикации иликвидации аварийных дуговых разрядов параллельного типа сиспользованием новых функциональных возможностей транзисторнойкоммутационно-защитной аппаратуры.3.Провести дополнительные исследования аварийных дуговыхразрядов последовательного типа в условиях низковольтных авиационныхсистем постоянного тока с учётом возможного воздействия механическихвибраций на электрические процессы в дуге.4.Оценить применимость известных методов индикациипоследовательной дуги в условиях авиационных низковольтных системпостоянного тока.5.Разработать методы и технические средства ликвидацииаварийных дуговых разрядов последовательного типа в авиационныхэлектросетях постоянного тока с типовыми нагрузками системэлектроснабжения.5Объект исследования: устройства защиты электросетей от аварийныхдуговых разрядов.Предмет исследования: принципы построения электронных устройствзащиты электросетей от аварийных дуговых разрядов.Область исследований: авиационные низковольтные электросетипостоянного тока.Научная новизна.1.

Исследованы и разработаны электронные устройства нового типа,предназначенные для индикации и ликвидации аварийных дуговых разрядоввавиационныхнизковольтныхэлектросетяхпостоянноготока,сформированные как дополнение к транзисторным аппаратам коммутации изащиты.2.

Установлено, что описания известных способов индикации иликвидации аварийных дуговых разрядов не содержат исчерпывающихсведений, достаточных для аппаратурной реализации электронных устройствзащиты от аварийных дуговых разрядов в авиационных низковольтныхэлектросетях постоянного тока.3.

Предложены метод и средство его реализации для ликвидацииустановившейся, либо прерывистой параллельной дуги, основанные наспособности транзисторных аппаратов защиты к амплитудному ограничениюаварийных токов.4. Исследованиями процессов возникновения и развития дуговыхразрядов последовательного типа в низковольтных цепях постоянного токапополнены сведения об их характерных свойствах:− установлено, что вероятность возникновения последовательной дугимежду расходящимися контактами максимальна при индуктивномхарактере нагрузки и минимальна при емкостных нагрузках иэлектродвигательных нагрузках с внутренней ЭДС;− установлено, что вольтамперная характеристика дуги при малыхзазорах между электродами может иметь экстремум (минимумнапряжения), а степень изменения тока нагрузки за счёт потерьнапряжения на дуге находится в пределах 50…70%, что может бытьиспользовано для создания схем индикации дуги;− обнаружено, что размах пульсаций тока дуги максимален в моментеё возникновения, непропорционален среднему току, зависит отматериала контактов и коррелируется по этому пункту снапряжениями статических ВАХ.65.Разработаны и исследованы компьютерные модели илабораторные макеты устройств ликвидации последовательной дугипостоянного тока, основанные на индикации её характерных признаков:наличии интенсивного шума, хаотичности параметров шума, наличии фактарекурсивности и «фликкер-эффекта» и др.

Показано, что для каждого израссмотренных вариантов существуют ограничения, исключающие ихуниверсальность, а общим ограничением является чувствительность кэлектромагнитным помехам из аварийных цепей.6.Разработаны методы, функциональные схемы, компьютерныемодели и лабораторные макеты индикаторов последовательной дуги,построенные по принципу мониторинга за аварийными изменениямиэнергетических параметров в цепях типовых нагрузок авиационныхнизковольтных систем постоянного тока.Практическая полезность.1.Результаты анализа методов индикации и ликвидации аварийныхдуговых разрядов в наземных и бортовых СЭС постоянного и переменноготока.2.Технические средства ликвидации устойчивой и прерывистойдуги параллельного типа в авиационных низковольтных электросетяхпостоянного тока.3.Описания портативных стендов для исследования характерныхсвойств устойчивых и прерывистых дуговых разрядов.4.Технические средства индикации последовательной дугипостоянного тока по её характерным признакам.5.Технические средства индикации последовательной дуги пофактам изменения энергетических параметров в цепях типовых авиационныхнагрузок постоянного токаМетодология и методы исследования.

Для решения поставленных вработе задач используются общие положения теории электрических цепей,имитационное компьютерное моделирование индикаторов дуги, физическое(натурное) моделирование аварийных дуговых процессов и электронныхсредств их ликвидации.Реализация результатов работы.Материалы диссертационной работы были использованы вгосбюджетных НИР МАИ, договоры №№ 45910-03060, 46800-03060, в курселекций,вдипломномикурсовомпроектированиикафедры«Микроэлектронные электросистемы», а также при подготовке монографии«Устройства защиты авиационных электросетей от аварийных дуговых7разрядов» Е.В.