Loading

Styczniki trakcyjne obwodu głównego lokomotywy

Wiadomości Elektrotechniczne 5-6/1985

mgr inż. Piotr Lewandowski

Fabryka Transformatorów i Aparatury Trakcyjnej ELTA w Łodzi


Produkowane i eksploatowane w Polsce lokomotywy elektryczne trakcji kolejowej na napięcie sieci 3000 V prądu stałego (EU-07, ET-22, ET-41) są wyposażone w trakcyjne silniki szeregowe prądu stałego oraz w stycznikową aparaturę rozruchu i regulacji prędkości. Styczniki trakcyjne obwodu głównego tych lokomotyw umożliwiają rozruch i regulację prędkości lokomotywy poprzez zwieranie rezystorów rozruchowych, przełączanie grup silników, a następnie przez bocznikowanie uzwojeń wzbudzenia silników - tzw. osłabienie pola.

W zależności od pełnionej funkcji w obwodzie rozróżnia się:
- styczniki liniowe o najostrzejszych warunkach pracy łączeniowej, łączące i przełączające obwody grup silników, dla których wg normy [1] przyjmuje się znamionowe napięcie łączeniowe Ue=1500 V,
- styczniki tzw. opornikowe, zwierające rezystory rozruchowe o napięciu łączeniowym, wynikającym ze spadku napięcia na zwieranym rezystorze (Ue=500 V), lecz o tym samym znamionowym prądzie ciągłym jak styczniki liniowe,
- styczniki osłabienia pola o najniższym znamionowym napięciu łączeniowym Ue=250 V oraz znacznie mniejszym prądzie ciągłym niż pozostałe styczniki.

FTiAT ELTA jest producentem aparatury trakcyjnej, m.in. styczników obwodów głównych do krajowych lokomotyw elektrycznych i pokrywa całkowicie zapotrzebowanie w tym zakresie przemysłu taboru kolejowego. Styczniki elektropneumatyczne SPL-400, SPK-400 i SPR-400 o znamionowym prądzie ciągłym 400 A, produkowane obecnie przez Fabrykę, spełniają wymagania stawiane im przez eksploatacyjne warunki pracy w lokomotywach z silnikami o mocy ciągłej, nie przekraczającej 500 kW.

Zwiększające się systematycznie przewozy towarowe spowodowały konieczność budowy lokomotyw ciężkich z silnikami o większej mocy. W latach 1978-1980 powstała koncepcja budowy nowej generacji lokomotyw z silnikami o mocy ciągłej ok. 800 kW. Pierwsze dwie prototypowe lokomotywy ciężkie typu BoBo EP09 będą wyposażone w aparaturę importowaną, w tym styczniki obwodu głównego typu PK o znamionowym prądzie ciągłym 650 A. Następne lokomotywy z tej serii będą wyposażane wyłącznie w aparaturę krajową.

Zaistniała sytuacja spowodowała konieczność zaprojektowania i wdrożenia do produkcji styczników trakcyjnych o obciążalności znamionowej 630 A do lokomotyw elektrycznych z silnikami o mocy ciągłej ok. 800 kW oraz sprawdzenia styczników importowanych (przeznaczonych do 2 lokomotyw prototypowych), w warunkach laboratoryjnych wg wymagań obowiązującej normy PN-69/E-06120, a także określenia stopnia ich przydatności i niezawodności pracy w lokomotywie.

PRACE PROJEKTOWO-BADAWCZE STYCZNIKÓW SPG

Wstępna analiza uruchomienia produkcji wyposażenia aparatowego do lokomotyw ciężkich wykazała, że ze wzglądu na celowość unifikacji produkcji i wyposażenia lokomotyw - konieczne jest zaprojektowanie nowej rodziny styczników o różnych obciążalnościach, zastępujących dotychczas produkowane styczniki SPK, L, R-400. Miałyby to być styczniki o lepszych parametrach techniczno-eksploatacyjnych, nowocześniejsze od dotychczas produkowanych. Za najważniejsze cele do osiągnięcia uznano:
- zmniejszenie masy i wymiarów w stosunku do odpowiednich wielkości styczników dotychczas produkowanych,
- dostosowanie konstrukcji styczników do użycia materiałów wyłącznie pochodzenia krajowego,
- unifikacja jak największej liczby podzespołów styczników.

Zgodnie z wymaganiami polskich norm przyjęto dla stycznika SPG-630L następujące parametry znamionowe:
- napięcie izolacji Uin=3000 V,
- napięcie łączeniowe Ue=1500 V,
- prąd ciągły (cieplny) Inc=630 A,
- prąd łączeniowy Ie=630 A,
- kategoria użytkowania DC4tb
- częstość łączeń 30 ł/h,
- napięcie sterownicze Uster=110V
- ciśnienie sprężanego powietrza napędu Pn=0,5 MPa.

Analiza [2] wykazała, że w celu osiągniecia założonych parametrów techniczno-eksploatacyjnych, należy przede wszystkim zrezygnować z typowego dla styczników prądu stałego - elektromagnesu wydmuchowego z cewką na stałe włączoną w obwód prądowy stycznika.

Badania rozpoznawcze różnych modeli elektromagnesów wydmuchowych pozwoliły na opracowanie najbardziej korzystnego rozwiązania zespołu stykowo-gaszeniowego, w którym elektromagnes wydmuchowy wyposażony jest w cewką włączoną dorywczo w obwód prądowy, tylko w stanach dynamicznych otwierania i zamykania stycznika. W czasie pracy przepustowej stycznika cewka wydmuchowa jest zwierana (praktycznie nie przewodzi prądu). To niekonwencjonalne rozwiązanie jest przedmiotem wynalazku [3], Schemat ideowy i opis elementów zespołu stykowo-gaszeniowego stycznika przedstawiono na rys. 1.


Rys.1.
Schemat ideowy zespołu stykowo-gaszeniowego stycznika SPG:
a) stycznik zamknięty,
b) stycznik w trakcie otwierania,
c) stycznik otwarty
1-styk nieruchomy
2-cewka wydmuchowa
3-rożek opalny
4-styk ruchomy

DZIAŁANIE ZESPOŁU STYKOWO-GASZENIOWEGO

Podczas otwierania stycznika, po utracie styczności styków, styk ruchomy w dalszym ciągu styka się z obrotowo zamocowanym górnym rożkiem opalnym. W tor prądowy zostaje włączona cewka wydmuchowa.

Dalszy ruch styku ruchomego powoduje rozłączenie rożka opalnego ze stykiem ruchomym i zapalenie łuku elektrycznego. Na łuk elektryczny oddziaływuje pole magnetyczne, wytworzone przez prąd łuku, płynący przez cewkę wydmuchową, przemieszczając łuk po rożkach opalnych znajdujących się w komorze gaszeniowej, gdzie następuję jego zgaszenie. Podczas zamykania stycznika, styk ruchomy styka się najpierw z górnym rożkiem opalnym. Przez stycznik zaczyna płynąć prąd, przy czym w tor prądowy włączona zostaje cewka wydmuchowa. Dalszy ruch styku ruchomego powoduje ruch obrotowy rożka, aż do uzyskania styczności obu styków.W tej chwili zostaje zwarta cewka wydmuchowa. Przebieg prądu w styczniku i cewce wydmuchowej podczas jednego cyklu łączeniowego przedstawiono na rys. 2.


Rys.2.
Przebieg prądu w styczniku i cewce wydmuchowej podczas jednego cyklu łączeniowego
Ist-prąd płynący przez stycznik,
Ic-prąd płynący przez cewkę wydmuchową,
t0-chwila zetknięcia styku ruchomego z górnym rożkiem opalnym,
t1-chwila zamknięcia styków,
t2-chwila otwarcia styków

Dorywcza praca cewki wydmuchowej pozwala na stosowanie odpowiednio dużej liczby zwojów; ma to na celu zmniejszenie czasów łukowych w zakresie prądów krytycznych (małych). Wyraźnie zwiększone pole wydmuchowe i wyeliminowanie znacznego źródła ciepła w pracy przepustowej - jakim jest w tradycyjnych rozwiązaniach styczników prądu stałego szeregowa cewka wydmuchowa - pozwoliło na większą swobodę w kształtowaniu konstrukcyjnym toru prądowego i magnetycznego obwodu wydmuchowego. Dało to również możliwość zmniejszenia masy stycznika.

Zastosowanie ruchomych rożków opalnych, umieszczonych w komorze gaszeniowej, spowodowało konieczność poszukiwań optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych przestrzeni łukowej komory, jak również doboru odpowiedniego materiału izolacyjnego.

Ostateczny kształt komory gaszeniowej powstał na podstawie wyników prac badawczych z różnymi rodzajami komór oraz dodatkowej analizy technologiczno-materiałowej.

Ze względów unifikacyjnych, komora gaszeniowa składa się z dwóch części:
- komory podstawowej z różkami opalnymi (rys. 3a),
- nakładki wydłużającej (rys. 3b).
Komora podstawowa z nakładką wydłużającą jest przeznaczona do stosowania w stycznikach liniowych (Ue=1500 V), natomiast w stycznikach opornikowych (Ue =500V) będzie zastosowana tylko komora podstawowa.


Rys.3.
Komora gaszeniowa stycznika SPG:
a) komora podstawowa z rożkami opalnymi,
b) nakładka wydłużająca

W napędach elektropneumatycznych SPG zastosowane będą siłowniki z dotychczas produkowanych styczników SPK L-400.

BADANIA MODELI

Modele stycznika liniowego SPG-630 L (rys. 4) oraz opornikowego SPG-630 R (rys. 5) poddano badaniom laboratoryjnym, których zakres często wykraczał poza wymagania polskich norm, gdyż ich wyniki miały zadecydować o poprawności rozwiązań konstrukcyjnych poszczególnych podzespołów dla całej rodziny styczników.


Rys.4.
Stycznik liniowy SPG-630 L


Rys.5.
Stycznik opornikowy SPG-630 R

Dotyczyło to zwłaszcza prób łączeniowych i sprawdzanego w nich zespołu stykowo-gaszeniowego, identycznego w kształcie dla obu typów styczników liniowych i opornikowych, a różniącego się tylko przekrojem niektórych elementów toru prądowego dla wykonań 400 i 630 A.

Wyznaczone charakterystyki czasów łukowych wykazały, że styczniki charakteryzują się wysoką niezawodnością pracy łączeniowej, zarówno w zakresie prądów krytycznych jak i dorywczych.

Przepięcia łączeniowe w całym zakresie sprawdzonych prądów nie przekraczały 5 kV dla styczników liniowych i 2 kV dla styczników opornikowych, co nie stanowi zagrożenia dla izolacji aparatury i silników w lokomotywie, której wytrzymałość jest gwarantowana do poziomu 9,5 kV. W próbach zdolności i trwałości łączeniowej stosowano parametry probiercze znacznie zaostrzające reżim pracy np. wyższe napięcie łączeniowe (2000-2500V) , większa niż wymagana przez normę częstość łączeń do 120 ł/h, a w próbach trwałości mechanicznej większe od znamionowego ciśnienie sprężonego powietrza napadu (0,6-0,65 MPa).

Sprawdzona w tych próbach trwałość eksploatacyjna poszczególnych elementów i podzespołów styczników pozwoliła na wzmocnienie węzłów konstrukcyjnych, decydujących o trwałości styczników. Dotyczyło to takich elementów jak rożki opalne, sprężyny, połączenia podatne i uchwyty mocujące komorę gaszeniową. Trwałość pozostałych elementów i podzespołów była wystarczająco duża.

Wszechstronne badania modeli łącznie z obliczeniami analitycznymi pozwoliły na optymalizacje wymiarów, kształtu i rodzaju zastosowanego materiału większości elementów stycznika.

Na podstawie dokumentacji technicznej oraz warunków technicznych odbioru wykonano prototypy styczników SPG, które w najbliższym czasie poddane będą wszechstronnym badaniom eksploatacyjnym w 5 lokomotywach 104E, wyposażonych całkowicie w krajową aparaturę.

WNIOSKI

Styczniki trakcyjne SPG charakteryzują się cechami i parametrami techniczno-eksploatacyjnymi, których osiągnięcie zakładano, a mianowicie (dla "bazowego" stycznika liniowego SPG-630L):
- masa jest mniejsza o 25% od masy stycznika SPL-400 dotychczas produkowanego,
- gabaryt, liczony łącznie z obszarem zagrożenia łukiem, jest nie większy od stycznika SPL-400.
Ponadto:
- stosowane są materiały wyłącznie pochodzenia krajowego,
- osiągnięto wysoki stopień unifikacji,
- styczniki spełniają wymagania normy PN-69/E-06120,
- styczniki SPG-400 można stosować w pełni zamiennie zamiast dotychczas stosowanych SPK, L, R-400,
- styczniki nie są źródłem przepięć o wartościach zagrażających izolacji w lokomotywie.

Wyniki wstępnych prac badawczych modeli stycznika SPG-630 L w warunkach pracy stycznika o znamionowym prądzie łączeniowymi i ciągłym Ie=800 A są na tyle obiecujące, że istnieje możliwość powiększenia (w razie potrzeby) rodziny styczników, o stycznik SPG-800 do silników trakcyjnych o mocy 1200 kW, z zachowaniem warunku unifikacji.


LITERATURA
[1] PN-69/E-06120. Pojazdy trakcyjne, Aparaty elektryczne prądu stałego.
[2] BOLANOWSKI B.. BARTOSZEWSKI Z.: Opracowanie nr 1140/286/81 Instytut Transformatorów, Maszyn i Aparatów Elektrycznych Politechniki Łódzkiej.
[3] BARTOSZEWSKI Z., BOLANOWSKI B., SOKOŁOWSKI A.: Patent PRL Nr. P 237015. Instytut Transformatorów, Maszyn i Aparatów Elektrycznych Politechniki Łódzkiej.