Диагностика инверторов тяговых подстанций

Одной из основных задач железнодорожного транспорта в современных условиях является снижение эксплуатационных затрат по всем направлениям, в том числе на техническое обслуживание (ТО) и ремонт инверторов электрического подвижного состава и тяговых подстанций. Сокращение затрат в последнем случае возможно по двум направлениям: уменьшение количества ТО и ремонтов и сокращение трудозатрат и времени. Помимо экономии прямых расходов, связанных непосредственно с проведением ремонтных работ, можно получить гораздо более существенную экономию при сокращении простоев дорогостоящего оборудования и уменьшении количества отказов непосредственно в эксплуатации, что позволяет снизить потребность в резервном оборудовании и избежать сбоев в движении поездов.

Следует отметить, что в настоящее время и в обозримой перспективе на железнодорожном транспорте будут применяться инверторы с групповым соединением СПП. Групповое соединение позволяет повысить предельное значение общей мощности преобразователя. Однако даже у СПП одного типа имеется разброс электрических и тепловых характеристик приборов, который изменяется с течением времени и существенно снижает эффективность группового соединения. При этом появляется неравномерность распределения токов и напряжений между приборами в соединении даже при использовании специальных мер для решения этой проблемы. Перегрузка по току или напряжению отдельных СПП существенно повышает вероятность отказа отдельных приборов. Поэтому крайне важно определять предотказные состояния СПП и своевременно заменять потенциально ненадежные приборы.

Цель данного курсового проекта - ознакомление с методикой диагностирования инверторов тяговых подстанций, позволяющих выявлять потенциально ненадежные приборы для недопущения отказов в инверторе в процессе эксплуатации.

1. Исходные данные

Инвертор предназначен для передачи избыточной энергии рекуперации из контактной сети постоянного тока в питающую сеть переменного тока на тяговых подстанциях магистральных железных дорог и для обеспечения электрического торможения электровозов на горных спусках.

Рисунок 1 - инвертор серии И-ПТП-1,6к-3,8к-50-УХЛ4

Схема включения инверторов (И) на тяговой подстанции с тяговыми выпрямителями ПВ1-ПВ3 представлена на рисунке 2. Реакторы РТ1, РТ2 обеспечивают необходимое сглаживание пульсаций напряжения и ограничивают скорость нарастания тока в аварийных процессах. После подачи напряжения питания через согласующий трансформатор автоматически запускается алгоритм диагностики работоспособности инвертора, по результатам которого выдается разрешение на подключение к контактной сети.

Рисунок 2 - Схема включения инвертора на тяговой подстанции

Система регулирования и управления поддерживает заданный уровень напряжения на выходе тяговой подстанции. Превышение выходным напряжением тяговой подстанции установленного значения является свидетельством начала рекуперативного торможения электроподвижного состава, инвертор автоматически входит в режим возврата энергии в питающую сеть. Встроенная система диагностики обеспечивает отключение оборудования при отказе, сигнализирует о приближении параметров к предельно допустимым и о необходимости внеплановых регламентных работ.

1.1 Конструктивные характеристики

Таблица 1 - конструктивные характеристики инвертора И-ПТП-1,6к-3,8к-50-УХЛ4

Таблица 2 - технические характеристики инвертора И-ПТП-1,6к-3,8к-50-УХЛ4

Силовое оборудование инвертора размещено в двух силовых шкафах.

Аппаратура управления, контроля и измерения размещается в отсеке управления.

В каждом шкафу инвертора установлено по три тиристорных блока.

В состав инвертора входят:

? инвертор;

? подставка;

? реле земляной защиты;

? монтажный комплект, содержащий набор крепежа (для соединения подставки с инвертором и установки реле земляной защиты);

1.3 Факторы, влияющие на работу инвертора и выполнение его функциональных свойств. Ограничения по влияющим факторам и по функциональным свойствам

Контроль теплового состояния тиристоров:

при помощи инфракрасных датчиков температуры;

Каждый тиристорный блок преобразователя имеет гальванически развязанный датчик температуры. Помимо этого, в верхней части инвертора установлен бесконтактный инфракрасный датчик контроля температуры наиболее нагретой точки.

Рисунок 3 - инфракрасный датчик температуры при помощи микропроцессорной системы измерения температуры.

Инверторы выполнены по шестипульсной или двенадцатипульсной схеме. В каждой полуфазе моста установлено по три (для шестипульсной схемы) или по два (для двенадцатипульсной схемы) последовательно включенных тиристора, которые объединены в тиристорные блоки.

Для защиты тиристоров от сетевых и схемных перенапряжений параллельно каждому тиристору подключены RС-цепь и шунтирующий резистор.

Для защиты инвертора от пробоя тиристоров, используется система контроля состояния полупроводниковых приборов, которая диагностирует состояние тиристоров после подачи силового питающего напряжение.

Каждый блок тиристоров оснащен общим прижимным механизмом на все последовательно соединенные приборы и визуальным контролем усилия сжатия. Это существенно облегчает замену тиристоров при ремонте без применения специального инструмента и динамометрических ключей. Замена тиристоров не требует демонтажа блока из шкафа инвертора.

Приборы, инструмент, приспособления, материалы и защитные средства:

мегомметр на напряжение 500 и 2500 В;

тестер;

омметр;

осциллограф;

электропаяльник;

ключ тарировочный;

ключи гаечные;

плоскогубцы комбинированные;

отвертки;

напильники;

шабер;

лампа контрольная;

пылесос;

стремянка;

уайт-спирит;

протирочный материал.

1.5 Условия проведения работ

Работа выполняется:

со снятием напряжения;

по наряду.

2. Порядок производства измерений параметров

2.1 Организация работ и протоколов измерений параметров

Проверка шкафа инвертора (шкаф-фаза)

Очистить от пыли и грязи смотровые стёкла аппаратуры и изоляции шкафа выпрямителя, очистить выпрямительные блоки от пыли пылесом и ветошью. Тиристоры и изоляторы, изоляцию панелей, изоляторы шинопроводов очистить мягкой тряпкой, смоченной в уайт-спирите и протереть насухо. Очистить от загрязнений и выполнить контрольную подтяжку: крепления ошиновки, анодных кабелей, проходных и опорных изоляторов, заземлений, соединений гибких выводов тиристоров с радиаторами.

Омметром (удобнее Ц-39) проверить целостность шунтирующих резисторов, цепочек RC, сопротивлений связи. Визуально проверить состояние реле и цепей защиты от пробоя тиристоров. Если по журналу учета или по показаниям указательных реле установлено, что были случаи срабатывания защиты, а проверкой определено, что цепи защиты и реле исправны, следует отыскать пробитые тиристоры только в «поврежденной фазе». На преобразователях, не оборудованных такой защитой, проверить целостность всех вентилей омметром. Неисправные вентили заменить и сделать запись в журнале учета.

Проверить: затяжку контактов изолирующих трансформаторов, выпрямительных колодок импульсных трансформаторов, целостность управляющих электродов тиристоров, амплитуду и форму управляющих импульсов (осциллографом), датчики постоянного и переменного тока. Проверить состояние катодных автоматов, помехозащитного реактора и реактора инвертора. В шкафу управления протереть от пыли панели и реле, проверить надежность контактных соединений цепей вторичной коммутации на клеммных сборках и реле. Проверка шкафа выполняется при отключенном инверторном агрегате в соответствии с инструкцией по наладке и эксплуатации. При этом необходимо руководствоваться протоколами наладки и предыдущих испытаний. Проверить: механические крепления и электрические соединения, панель узла питания, правильность синхронизации напряжения, характеристики реле контроля напряжения, импульсы управления силовыми тиристорами агрегата. Проверить и настроить цепи компаундирования, блоки задержки выходных усилителей и сигнализации. Проверить работоспособность логических блоков и определить соответствие сигнала на их выходах режимам работы преобразователя и защиты. Проверить действие блокировок дверей - замыкая вручную; срабатывание защиты от пробоя вентилей - нажимая на якорь реле или подачей напряжения от постороннего источника на лампы фоторезисторов.

Мотор-вентилятор. Воздуховод

Проверить состояние мотор-вентиляторов и воздуховода. Проверить герметичность уплотнений воздуховода (при необходимости восстановить), наличие смазки в подшипниках мотор-вентилятора, надёжность крепления контактов в шкафу управления мотор-вентиляторами.

Опробование оперативных цепей

Включить и отключить инвертор в автоматическом и ручном режимах. Включить выключатель. Замкнуть поочередно выходы токовых реле, при этом должен отключиться выключатель и сработать сигнальные реле защиты от перегрузки и отсечки, должна работать звуковая сигнализация. Опробовать действие защиты и блокировок косвенным методом, имитируя ненормальный режим работы инвертора. Например, открыть дверь ограждения или шкафа.

2.2 Порядок выполнения измерений. Схемы подключения приборов

Измерение параметров тиристоров и проверка предельно допустимых значений параметров.

Неповторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии, неповторяющееся импульсное обратное напряжение

Условия проверки:

температура перехода -- максимально допустимая температура перехода и (или) (25±10)°С;

напряжение в закрытом состоянии (обратное напряжение):

форма -- однополупериодная синусоидальная или другая, оговоренная в технических условиях на конкретные типы тиристоров;

Амплитуда -- максимально допустимое неповторяющееся импульсное напряжение; длительность -- 1 или 10 мс в соответствии с установленным в стандартах или технических условиях на конкретные типы тиристоров; количество импульсов -- один импульс;

режим по выводу управляющего электрода -- указанный в стандартах или технических условиях на конкретные типы тиристоров.

Проверку проводят по схеме, приведенной на рисунке 4

Рисунок 4 - схема для проверки значений предельно допустимых параметров тиристора

Описание схемы и требования к ее элементам:

источник напряжения 1 должен обеспечивать напряжение в соответствии с условиями проверки, приведенными выше.

V -- вольтметр амплитудных значений.

Проверку неповторяющегося импульсного напряжения (в закрытом состоянии и обратного) проводят следующим образом:

устанавливают переключатель и в положение 1,

подают на испытуемый тиристор импульсы напряжения в соответствии с условиями проверки.

устанавливают переключатель П в положение 2.

Считается, что тиристор выдержал испытание, если он не переключился, а повторяющийся импульсный обратный ток, повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии не превышает установленных норм.

Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии

Условия проверки:

исходная температура перехода -- максимально допустимая температура перехода.

ток в открытом состоянии:

форма - однополупериодная синусоидальная;

амплитуда - максимально допустимый ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии;

длительность - 10 мс;

количество импульсов - один.

обратное напряжение отсутствует;

режим по выводу управляющего электрода -- форма, амплитуда, длительность фронта, длительность импульсов напряжения источника управления и его сопротивление -- указанный в стандартах или технических условиях на конкретные типы тиристоров.

Проверку проводят по схеме на рисунке 5

Рисунок 5.

Описание схемы и требования к ее элементам:

а) источник импульсов тока 1 должен обеспечивать ток в соответствии условиями, приведенными выше, причем искажение импульса должно быть минимальным -- длительность импульса на уровне 10% от амплитудного значения должна быть равна (10± 1) мс;

б) резистор R -- измерительный резистор с малым сопротивлением;

в) источник импульсов управления 2 должен обеспечивать импульсы тока в соответствии с условиями приведенными выше.

Считается, что тиристор выдержал испытание, если не обнаружен его параметрический отказ.

Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии

Условия проверки:

исходная температура перехода -- максимально допустимая температура перехода;

напряжение в закрытом состоянии -- 67% от максимально допустимого повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии;

амплитуда тока в открытом состоянии -- не менее двойного максимально допустимого среднего тока в открытом состоянии, и максимально допустимого повторяющегося импульсного запираемого тока в открытом состоянии (для запираемых тиристоров), но не более указанного в стандартах или в технических условиях на конкретные типы тиристоров;

режим по выводу управляющего электрода -- форма, амплитуда, длительность фронта, длительность импульсов источника управления и его сопротивление -- указанные в стандартах или технических условиях на конкретные типы тиристоров.

частота следования и количество импульсов тока или время испытаний - указанные в стандартах или технических условиях на конкретные типы тиристоров (частота выбирается из значений 1--5 или 50 Гц);

испытуемый тиристор -- в сборе, при необходимости, с охладителем или другим устройством, обеспечивающим эквивалентные условия охлаждения.

Проверку проводят по схеме, приведенной на рисунке 6.

Рисунок 6

Описание схемы:

источник переменного напряжения 1 должен обеспечивать напряжение, заряжающее конденсатор С;

источник импульсов управления 2 должен обеспечивать подачу на управляющий электрод тиристора в отрицательный полупериод напряжения источника 1 синхронизированных с частотой этого напряжения импульсов управления;

резистор R1 должен обеспечивать защиту зарядной цепи от перегрузки и в то же время иметь достаточно малое сопротивление, чтобы конденсатор С успевал заряжаться до требуемого значения напряжения;

резистор R₃ -- безыиндуктивный измерительный резистор с малым сопротивлением ;

V -- вольтметр амплитудных значений.

Импульсное напряжение в открытом со стоянии

Условия измерения:

температура перехода -- (25±10)°С;

амплитуда тока открытого состояния -- 3,14-кратное значение максимально допустимого среднего тока в открытом состоянии и максимально допустимый повторяющийся импульсный запираемый ток в открытом состоянии (для запираемых тиристоров);

расположение контрольных точек измерения напряжения -- указанное в стандартах или в технических условиях на конкретные типы тиристоров.

Измерение проводят по схеме на рисунке 7

Рисунок 7

Описание схемы:

источник импульсов тока 1 должен обеспечивать импульсы тока в соответствии с условиями, приведенными выше;

Длительность импульсов тока в открытом состоянии -- в соответствии с техническими условиями на конкретные типы тиристоров;

Частоту повторения импульсов тока, не вызывающую значительного нагрева перехода во время измерения;

А -- амперметр для измерения амплитудных значений импульсов тока;

V -- вольтметр для измерения мгновенных значений напряжения в открытом состоянии;

источник импульсов управлении 2 должен обеспечивать импульс тока амплитудой и длительностью, достаточными для полного включения испытуемого тиристора.

Измерение импульсного напряжения в открытом состоянии проводят следующим образом:

устанавливают по амперметру А амплитуду импульсов тока в открытом состоянии;

измеряют с помощью вольтметра V (в момент времени, соответствующий амплитуде тока при полном включении тиристора) мгновенное значение напряжения па тиристоре.

Считается, что тиристор выдержал испытание, если импульсное напряжение в открытом состоянии не превышает установленной нормы.

Ток включения

Условия измерения:

прямое напряжение в закрытом состоянии -- постоянное напряжение 12 В;

режим по выводу управляющего электрода -- форма, амплитуда, длительность фронта, длительность импульсов напряжения источника управления и его сопротивление -- указанные в стандартах или технических условиях на конкретные типы тиристоров.

Измерение проводят по схеме, приведенной на рисунке 8

Рисунок 8

Описание схемы и требования к ее элементам

источник постоянного напряжения 1 должен обеспечивать напряжение в соответствии с условиями, приведенными выше;

резистор R₁ должен обеспечивать плавную регулировку тока в открытом состоянии от значения менее установленной нормы тока включения до значения не менее нормы тока включения;

резистор R₂ -- измерительный резистор с малым сопротивлением;

индуктивность L -- указанные в стандартах или технических условиях на конкретные типы тиристоров;

источник импульсов управления 2 должен обеспечивать импульсы управления в соответствии с условиями и частотой следования от одиночных до 50 Гц;

К -- ключ, работающий синхронно с источником управления 2.

Измерение тока включения проводят следующим образом:

устанавливают сопротивление резистора R₁ максимальным;

подают от источника импульсов управления 2 импульсы управления;

наблюдают с помощью осциллоскопа Ос форму тока через тиристор. Ток в момент окончания импульса управляющего электрода должен уменьшаться, как показано на рисунке 9;

уменьшают плавно сопротивление резистора R₁ до момента, когда ток через тиристор в момент окончания импульса управляющего электрода начинает увеличиваться, как показано на рисунке 9;

Рисунок 9 - эпюры импульсов анодного тока и тока управления через тиристор измеряют с помощью осциллоскопа Ос значение тока включения как мгновенное значение тока через тиристор в момент окончания импульса управления.

Считается, что тиристор выдержал испытание, если ток включения не превышает установленной нормы.

Ток удержания

напряжение в закрытом состоянии -- постоянное напряжение 12 В;

режим по выводу управляющего электрода -- цель разомкнута.

Измерение проводят по схеме, приведенной на рисунке 10.

Рисунок 10.

Описание схемы и требования к ее элементам:

источник импульсов тока 2 применяется при необходимости и должен обеспечивать одиночный импульс тока с амплитудой, равной максимально допустимому среднему току в открытом состоянии с длительностью не менее 1--2 мс;

резистор R₁ должен обеспечивать плавную регулировку тока в открытом состоянии от значения менее установленной нормы тока удержания до значения не менее нормы тока удержания;

резистор R₂ должен иметь сопротивление, обеспечивающее ток управляющего электрода, достаточный для отпирания испытуемого тиристора;

mА --миллиамперметр постоянного тока.

Измерение тока удержания проводят следующим образом:

устанавливают сопротивление резистора R₁ минимальным;

включают испытуемый тиристор ИТ кратковременным нажатием кнопки К и, при необходимости, от источника 2 пропускают одиночный импульс тока;

уменьшают ток в открытом состоянии плавным увеличением сопротивления резистора R₁ (до момента выключения испытуемого тиристора);

фиксируют с помощью миллиамперметра mА значение тока удержания.

Считается, что тиристор выдержал испытание, если ток удержания не превышает установленной нормы.

2.3 Статистическая обработка результатов измерений

Методика расчета погрешностей испытательного оборудования и погрешностей измерения электрических параметров силовых полупроводниковых приборов.

Составляющие погрешностей и их суммирование

Погрешность установки определяется потребностью метода (методической) и инструментальной погрешностью (т.е. погрешностью, зависящей от конкретной схемной реализации стандартизованного метода и применяемых средств измерений).

Погрешность измерения параметра, кроме погрешности установки, включает в себя составляющие, определяемые влиянием условий (например, температуры) и режимов измерения на результат измерения. Эти погрешности (зависящие от испытательных условий и режимов) определяются для максимальной величины погрешности испытательного режима, указанного в документации на установку, и для каждого типа силового полупроводникового прибора в общем случае различны.

При суммировании составляющих погрешностей исходим из того, что эти составляющие (систематические для каждой конкретной установки) для совокупности установок можно рассматривать, как случайные величины. В связи с отсутствием в большинстве случаев данных о виде распределения этих величин их распределения принимаем за равномерные.

При оценке погрешностей, доверительная вероятность должна быть равна 0,95. В этом случае, погрешность вычисляется по формуле:

(1)

где и_i - граница i-й составляющей систематической погрешности.

Задание погрешности в НТД

В документации на установку должна быть указана погрешность без учета влияния условий и режимов измерения. При условии исключения систематической погрешности (известной по знаку и величине) погрешность установки рассчитывается по формуле:

(2)

где - граница составляющей погрешности, определяемой измерительным прибором, шунтом, делителем напряжения, пороговым устройством и т.п.

В методике проведения испытаний конкретного типа СПП должна быть указана общая погрешность измерения параметра с учетом влияния условий и режима измерений, т.е.

()

где - граница составляющей погрешности, определяемой неточностью установления и поддержания режима измерения (температуры, амплитуды тока, скорости изменения нагрузки и т.п.).

инвертор подстанция тяговый технический

Заключение

В данном курсовом проекте представлены методики измерений величин участвующих в диагностировании выпрямителей тяговых подстанций, позволяющих выявлять потенциально ненадежные приборы для недопущения отказов в преобразователе в процессе эксплуатации.

По результатам многочисленных исследований можно констатировать, что при выходе из строя инверторов отказы силовых полупроводниковых приборов (СПП) составляют до 80% на электроподвижном составе (ЭПС) и до 30-40% на тяговых подстанциях. Решение этой проблемы в совокупности с проблемой экономии возможно путем внедрения новых методик и устройств технического диагностирования и выявления предотказных состояний устройств электроснабжения и электроподвижного состава, а также с помощью перехода к системе технического обслуживания по фактическому состоянию.

Список используемой литературы