ДИПЛОМ (Разработка мероприятий по снижению числа отказов тяговых двигателей электровозов 2(3)ЭС5К)

ABSTRACTThe diploma work is devoted to develop the efficient overvoltage suppressor forhigh voltage DC motor circuit of electric locomotives 2ES5K and 3ES5K. The maincause of failure of electric motors NB-514 is an arc flash on the collector. Proposedhigh voltage suppressor can be installed to the each motor and can conduct the transient current peaks in cause of overvoltage.

The calculation of the economic efficiencyshows very attractive investment ratio with short term of the investments return.8СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….71 АНАЛИЗ ОТКАЗОВ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ……..81.1 Старение изоляции и его причины …………………………….81.2 Круговой огонь и его причины ……………………………………..101.3 Статистика отказов………………………………………………152 РАБОТА СИЛОВОЙ СХЕМЫ В РЕЖИМЕ ТЯГИ И ТОРМОЖЕНИЯ…………………………………………….162.1 Регулирование напряжения на тяговых двигателях в режиме тяги.….

162.2 Цепи тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения … 222.3 Регулирование тормозной силы в режиме рекуперативного торможения ………………………………………………………………………… 243 ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ ТЭД В ЭКСПЛУАТАЦИИ…………....….273.1 Технические данные электровоза 3ЭС5К .……………………………. 273.2 Эксплуатационные параметры электровоза 3ЭС5К ..………………… 284 ОБЗОР МЕТОДОВ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЦЕПЯХ …………………………………………….304.1 Потребность в применение ……………………………………………. 304.2 Устройство вентильные разрядников..………………………………… 314.3 Принцип работы вентильных разрядников.…………………………… 324.4 Преимущества нелинейных ограничителей перенапряжений..……… 345 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К УСТРОЙСТВУОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ЯКОРЕ ТЭД ………….365.1 Медный проводник …………………………………………..………….

375.2 Ограничитель перенапряжений нелинейный ………………………… 385.3 Наконечник обжимной………………………………………..………… 415.4 Метиз комплект ……………………………………………….………… 4196 РАЗРАБОТКА МОНТАЖНОЙ СХЕМЫ …………………..……….426.1 Размещения устройства перенапряжений в силовой схеме …..……… 426.2 Размещения устройства перенапряжений в блоке силовой аппаратуры…………………………………………………………………………….. 437 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ПРИ ВНЕДРЕНИИУСТРОЙСТВА ОГРАНИЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТЯГОВЫХЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ …………………………………………………447.1 Методика расчета экономического эффекта ………………….……….

447.2 Расчет расходов на изготовление устройства перенапряжений наякоре ТЭД……………………………………………………………….……457.3 Расчет экономического эффекта от внедрения нового устройства508 РАЗРАБОТКА ИНСТРУКЦИИ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ, ОБСЛУЖИВАНИИ ИЭКСПЛУАТАЦИИУСТРОЙСТВА …………………………………………….………………….548.1 Анализ технологии работ и выявление опасных и вредных производственных факторов ……………………………………..………….558.2 Обеспечение безопасности труда перед началом работы ………588.3 Обеспечение безопасности труда при слесарных работах………598.4 Мероприятия по обеспечению безопасности работ при монтаже,демонтаже и эксплуатации устройства …………………………………….608.5 Обеспечение безопасности труда при проведении ремонтных работ связанных с электрическим напряжением …………...……………8.6 Обеспечение безопасности труда по окончании работы…………6366ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………….67Список использованных источников……………………..…….......68Приложение А………….………………………………….…………...70Уменьшенные копии демонстрационных листов……….…………..7110ВВЕДЕНИЕНа данный момент перед железной дорогой среди стратегически важныхцелей стоит не только расширение сети дорожных путей и повышение их провозной способности, обновление локомотивного и вагонного парка и увеличение массы поездов, но и повышение надежности подвижного состава, что всвою очередь имеет огромное влияние на увеличение прибыли и сокращениеиздержек РЖД.В перспективе для повышения провозной способности необходимо увеличение массы поездов, что свою очередь ведет к большей нагрузке на локомотивы и подвергает тяговые двигатели большим перегрузкам по току и напряжению.

Перегрузки ведут к быстрому износу и частым отказам тяговых двигателей, что приводит к повышению затрат на ремонт подвижного состава и издержкам, связанным с его простоем. Одним из способов решения этой проблемы может быть ограничение напряжений на тяговых двигателях.В данной выпускной квалификационной работе стоит задача разработкиустройства ограничения перенапряжений на якоре тяговых двигателей электровозов серии ЭС5К, расчет экономической эффективности внедрения данногоустройства, а также рассмотрение норм обеспечения безопасности труда работника при сборке и установки устройства на электровоз.111 АНАЛИЗ ОТКАЗОВ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ1.1 Старение изоляции и его причиныВ процессе работы электрических машин происходят необратимые изменения свойств изоляции. Данный процесс называют старением изоляции.

Впервую очередь изменяются механические свойства изоляции: она становитсяболее хрупкой; в ней появляются трещины и поры, вследствие этого понижается электрическая прочность изоляции. Также может появиться поверхностныйпробой, особенно при увлажнении изоляции [2].Основными причинами старения изоляции являются:- повышенная температура;- значительные перепады температуры по толщине изоляции;- электрическое поле;- высокая влажность;- механически усилия, возникающие из-за вибрации.Повышенная температура влечет за собой химические изменения в изоляции. При температуре свыше 100°С возникает окисление органических материалов изоляции – бумаги, хлопчатобумажной пряжи и лаков.

Скорость химических реакций обуславливается температурой: чем выше температура, тем болеевысокими темпами стареет изоляция. Возникают химические изменения и вдругих видах изоляции (в кремнийорганических соединениях), но при болеевысокой температуре.Значительные перепады температуры между отдельными частями электромашины вызывают разницу температур и по толщине изоляции, что может вызвать в изоляции чрезмерно высокие механические напряжения. К примеру,изоляция катушки, располагающейся в пазах якоря, с одной из сторон имееттемпературу меди, а с другой перенимает температуру стали паза.

Как правилоотвод теплоты протекает через вентиляционные каналы, проложенные по стали,что вызывает температурный перепад от 5 до 15°С по толщине изоляционного12слоя катушки.В случае повышении температуры медные стержни катушки увеличиваютсвою длину и изменяют свое положение относительно стенок пазов. Вследствиеэтого, в изоляционном слое катушки возникают механические напряжения,прямо пропорциональные величине перепада температуры между стержнями истенками пазов.

При увеличении или уменьшении нагрузки происходит изменение температуры электромашины и перепада температуры между катушкамии сталью. Вследствие чего колебания нагрузки вызывают перемещения стержней относительно стенок пазов, что вызывает разрыв изоляции, если она малоэластична.Электрическое поле в высоковольтных электромашинах вызывает местныеэлектроразряды и ионизацию внутренних и внешних воздушных (газовых)включений.

Ионизация воздушных включений влечет за собой: увеличениетермических потерь в изоляции; механическое расслоение листов слюды; возникновение озона и оксидов азота, которые при наличии влаги образуют азотистую и даже азотную кислоту.Озон, являясь достаточно сильным окислителем, вызывает разрушение составляющих изоляции. Азотная и азотистая кислоты оказывают воздействие нетолько на изоляцию, но и на металлические элементы (стальные, медные). Особый вред ионизация наносит внутренним включениям.

Явление поверхностнойионизации (коронирования) появляется вследствие наличия воздушного зазорамежду поверхностью изоляции и стенками паза. Коронирование значительноменее опасно, чем внутренняя ионизация, так как ее разрушающему действиюподвергается только поверхностные слои изоляции. Значительно более опасноприсутствие местных скользящих электрических разрядов в виде искр, которыемогут вызывать расщепление пластинок слюды и других частей изоляции. Вцелях предотвращения поверхностных электрических разрядов наружную изоляцию изготавливают с полупроводящим покрытием. При этом выравниваютсяпотенциалы пазов и поверхности катушки [2].Повышение влажности вызывает снижение электрического сопротивления13изоляции, что в свою очередь увеличивает токи утечки и электрические потерив изоляции. Тем не менее, как правило, данное ухудшение свойств изоляции некритично обратимо и может быть исправлено медленной сушкой.

Как правило,сушат изоляцию включая электромашину при пониженном напряжении в режиме холостого хода или короткозамкнутой, т. е. без нагрузки. При использовании ускоренной сушки может возникнуть повреждение изоляции вследствиеповышенного выделения водяного пара из внутренних пор, что приводит ктрещинам в изоляции и делает ее структуру пористой.Механические воздействия, приложенные к изоляции, возникают вследствие электродинамических сил между проводниками, внутренней вибрации,центробежных сил частей находящихся во вращении т. п.

Временами изоляцияподвержена сильным механическим силам и от внешних воздействий (к примеру, в тяговых электродвигателях, поездных электрических машинах). Неоднократно прилагаемые к проводнику изменяющиеся по направлению усилия вызывают деформации в изоляции, что понижает ее электрическую прочность.Кроме приведенных, считающихся основными, причин старение изоляцииможет ускорять ряд иных факторов: наличие химически активных веществ,присутствующих в воздухе (к примеру, хлора, аммиака, паров кислот и щелочей), воды, пониженных температур (до –60°С в некоторых районах страны),микроорганизмов и иногда даже насекомых (в тропических странах).Приведенные причины приводят к ситуации, когда срок исправной службыизоляции, как правило, не больше 20 лет.

По истечении данного отрезка времени риск выхода из строя изоляции и отказа электрической машины, как правило, делает невозможным дальнейшую работу машины без проведения капитального ремонта с полной заменой обмотки или изоляции.1.2 Круговой огонь и его причиныВо время эксплуатации электромашин постоянного и пульсирующего токана коллекторах иногда возникает электрическая дуга или большое количество14мелких электрических разрядов. Данное явление называют круговым огнем [3].Основной причиной возникновения кругового огня называют чрезмерновысокое напряжение между соседними пластинами. Во время эксплуатацииизоляционные промежутки между соседними коллекторными пластинами забиваются угольной пылью и мелкими осколками щеток, которые могут приводитьк замыканию между собой пластин, образуя «мостики».В электромашинах малой мощности, у которых секции обмотки якоря имеют достаточно высокое активное сопротивление, а также индуктивность, мостики выгорают при невысоком токе, и явление кругового огня протекает достаточно безвредно.

В таком случае на коллекторе наблюдают небольшое искрение, которое иногда именуют потенциальным искрением, так как оно вызывается высокой разностью потенциалов между соседними пластинами коллектора. При большем токе возникает оплавление соседних пластин, вследствиечего образуются кратеры диаметром 2–3 мм и на коллекторе возникают такназываемые вспышки. Протекание этого явления более опасно, так как поврежденные края коллекторных пластин вызывают ускоренный износ щеток, авременами и их полное разрушение.В электромашинах высокой мощности, а также в машинах средней и малоймощностей с повышенными значениями напряжения между соседними коллекторными пластинами круговой огонь являет собой мощную электрическую дугу по коллектору.

Данная дуга перекрывает достаточно большую часть коллектора, иногда даже замыкает накоротко щеткодержатели разных полярностей(перекрытие коллектора). Появление мощной дуги на коллекторе сопровождается сильным световым и звуковым эффектом (в крупных машинах это можетпоходить на взрыв бомбы). Высокий ток якоря, возникающий при перекрытииколлектора, влечет за собой срабатывание защиты и износ поверхность коллектора, изоляторов, щеткодержателей и т. п., т. е. выводит машину из строя. Схема возникновения кругового огня на коллекторе представлена на рисунке 1.1[3].15213Рисунок 1.1 – Схема возникновения кругового огня на коллекторе и зависимость предельно допустимых напряжений Uк mах от коллекторного деления tк: 1 – первичная дуга призамыкании смежных коллекторных пластин; 2 – газы и пары меди; 3 – мощная дугаВ целях понижения вероятности возникновения кругового огня следуетснижать максимальную разность потенциалов между смежными коллекторными пластинами.