Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Вы слышали, как электровоз громко стреляет перед опусканием токоприёмников, и думали, зачем? Ответ — здесь.
- Вступление
- Привратники — разрядник, разъединитель, заземлитель
- Магнитные аптечные весы — БВ
- Выключатель с голосом пушки — ГВ
* * * * * * *
— Везём двумя секциями, помогай лучше.
— Понятно, добавляем!
Машинисты обоих электровозов начали потихоньку «подбрасывать угля». Сейчас много добавлять нельзя — поезд шёл в огромной кривой, обнимающей Калиновку. Сидящие на одной оси колёса пробегают по рельсам разный путь — ведь внешний рельс длиннее, и не могут договориться, скрипят. Сцепление с рельсами плохое, запросто можно сорваться в боксование — именно так ещё с времён паровозов на ЖД зовут буксование колёс.
Начало художественного вступления — здесь:
А сбрасывать тягу в ноль, чтобы попробовать включить сработавший главный выключатель — и вовсе лотерея, гарантии нет, а вот скорость почти за минуту потеряем сильно. Кривая держит колёсные пары как тисками, срубая стружку с гребней... Так что девятьсот ампер и песок потихоньку, четыре секции из пяти тянут исправно...
Бу-бух! Бу-бух... Бу-бух! Бу-бух... Локомотив равнодушно стучал обессилевшими колёсами первой секции. Он не любил заезжать сюда, на Волгу — эту чужая Приволжская дорога, далеко от основного депо, ещё и два тяжелейших подъёма по пути на юг — на Бу́ркин в Саратове и на Ряби́ну в Сызрани, который брали сейчас.
В родных Ли́сках тоже не сахар — что при отправлении на Ро́ссошь надо вылезти на Пухово из долины Дона, что на Балашо́в надо первым делом взять Придонску́ю. Да и обратно с Новохопёрска на Половцево тянешь-потянешь хвост из оврага самой чистой русской реки Хопёр. Однако там родной дом, там, может быть, подлечат замечания, отписанные «до основного депо» костоломами из оборотных пунктов техобслуживания...
Может быть, с Новороссийска найдётся поезд на север — тогда вылезаем из гор, шутя мчимся по ровной степи через тихие станицы, все эти Полтавские, Тимашéвские и Каневски́е, потом Батайск, Лихая, Россошь — и дома! Но это потом. Это если. Сколько «если» в судьбе электровоза, работающего на три дороги, от рязанского Рыбного до Северного Кавказа...
А тем временем и подъём кончился. Машинисты внимательно вели поезд, чутко убавляли ток, едва только машина начинала дрожать или покачивалась стрелка одного из амперметров. Потом добавляли обратно. Особенно тяжко было командиру головной машины — он не чуял дрожи, не слышал воя редукторов, ибо вёл поезд из потерявшей тягу секции. Весь его арсенал — знание участка, опыт и показания амперметра.
Выехав на площадку перед Рябиной, машинист сразу сбросил тягу, включил главный выключатель и облегчённо набрался снова. Дальше ехать самому, толкач сейчас отстанет... Но самое сложное позади, а мы будем разбираться, что на локомотиве срабатывает в самый неподходящий момент и почему.
Видео с отцепкой толкача в Рябине (нажмите на цветное — откроется)
Привратники — разрядник, разъединитель, заземлитель
Контактная сеть, как и любая воздушная линия электропередач — очень «весёлое место». Самое весёлое, что с ней может произойти — удар молнии либо падение сверху провода другой воздушной линии. Если электровоз, рассчитанный на постоянный ток 3 киловольта, внезапно получит 35 киловольт — дальше он «на своих восьми» не уедет. Да и на станции стыкования можно внезапно получить чужое напряжение.
Поэтому почти сразу за токоприёмником стоит разрядник — аппарат без подвижных частей, в котором при превышении напряжения проскакивает дуга:
Разрядник — высоковольтный аналог знакомого радиотехникам варистора. Он включён между шиной, идущей от токоприёмника, и корпусом (землёй), его основа — вили́т, то есть тот же материал, что в некоторых варисторах, только дополненный искровым промежутком. Вилит — карбид кремния, связанный жидким стеклом.
На электровозах на номинальное напряжение 3000 В установлены разрядники на 8000 В. Если напряжение подскакивает выше 8 кВ — то в искровом промежутке проскакивает дуга, сопротивление вилита резко падает и разрядник на короткое время становится проводником. Этого достаточно, чтобы увести скачок напряжения в землю, не пустив его к оборудованию локомотива.
Любителям говорить, что напряжение в контактной сети равно 3,3 кВ, в очередной раз напомню — это номинал на шинах подстанции, а для электровозов указано номинальное напряжение ровно 3 кВ
Если напряжение значительно превышает порог (например, электровоз попадает под «соседское» напряжение 25 киловольт), то мощность дуги в искровом промежутке такая, что разрядник может взорваться. Но за это время на подстанции срабатывает защита и электровоз, как правило, не страдает.
Дальнейший путь тока понятен из фрагмента схемы ЧС7, хотя он виден и по фото:
Дроссель — преграда для радиопомех. При работе электровоза от работы оборудования неизбежно создаются мелкие высокочастотные колебания — радиопомехи. Дроссель своей индуктивностью преграждает им путь в контактную сеть, не позволяя контактной сети выступать в роли передающей антенны.
Об индуктивности — в статье «ТЭД-11»:
Разъединитель (по схеме «семака» — 003) служит для двух целей. При разрушении токоприёмника разъединитель отключается, отсекая неисправный токоприёмник от крышевой шины, чтобы можно было работать от оставшегося исправного А при производстве работ на электрооборудовании разъединители на некоторых локомотивах отключаются, отсекая оборудование от токоприёмников — тем самым повышая безопасность работ.
На ЧС2 и ЧС7 после отключения разъёдинителя дополнительно включается заземлитель (005), наглухо заземляя крышевую шину. На фото крыши 2ЭС6 видно, что медный шунт от заземлителя идёт прямо на металл крыши. То есть персонал в кузове не попадёт под напряжение даже при падении контактного провода на шину. Без включения заземлителя в высоковольтную камеру (ВВК) просто не попасть — не получат питания электромагнитные защёлки, отпирающие шторы.
А вот на ВЛах вроде ВЛ10 и ВЛ11 разъединитель — с ручным приводом, огромной ручкой на потолке в коридоре, используется лишь для отключения неисправного токоприёмника. И заземлитель там устроен иначе — находится в кузове над сдвижной шторой ВВК и включается при открытии штор.
Дальше «высокое» через проходной изолятор (высоковольтный ввод) попадает в кузов к быстродействующему выключателю — БВ 021, это главный аппарат коммутации и защиты. От него ток разбегается к уже знакомым по статье «ТЭД-18» дифференциальным реле — защиты силовых цепей (015) и вспомогательных (201). О БВ ниже, а дифреле — выросшие до электровозных размеров квартирные УЗО (ВДТ):
На электровозах переменного тока всё немного иначе. Во-первых, на них главный выключатель (ГВ) стоит на крыше, а в его конструкцию включён заземлитель, поэтому отдельного заземлителя на них нет.
Во-вторых, иногда вместо разрядника стоит ограничитель перенапряжений (ОПН) — аппарат с похожими свойствами, но без искровых промежутков, он состоит лишь из дисков-«варисторов» на основе окиси цинка. На эти аппараты посмотрим в следующем параграфе — их удобнее показать вместе с ГВ. Пока — разъединитель токоприёмников, на электровозах Škoda 52E и 62E — они же ЧС4 и ЧС4Т — выполненный по схеме «всё в одном»:
Как видим, на одной плите стоят разъединители обоих токоприёмников, а при отключении токоприёмник заземляется — чтобы при случайном касании контактного провода сразу сработала защита подстанции. Ведь обломки пантографа может поднять ветром.
Магнитные аптечные весы — БВ
Прорвать плотину — дело немудрёное, куда сложнее её возвести. Высоковольтники уже поняли, к чему эта аналогия — включить ток просто, а вот при выключении возникает дуга, которую разорвать при высоком напряжении ох как непросто. Пока горит дуга — ток не выключен, вдобавок контакты обгорают как от сварки, ведь эта дуга ничем не отличается от электросварочной.
Поэтому главный защитный аппарат электровоза — аналог автомата, что стоит возле электросчётчика — один из самых сложных аппаратов, если не самый сложный. На электровозах постоянного тока 3000 В этот аппарат стоит в кузове, на электропоездах того же рода тока — под кузовом, и называется быстродействующим выключателем — БВ.
Иногда их два — один на силовые цепи (тяговые двигатели — БВ-1) и второй на вспомогательные (компрессоры, вентиляторы, отопление — БВ-2). На электропоездах БВ-2 вообще нет, вспомогательные цепи защищены «бомбой» — высоковольтным предохранителем, прозванным так за то, что при срабатывании он порой взрывается. А вот БВ-1 электровоза ВЛ15, типа БВП-5А — быстродействующий выключатель поляризованный:
Весит этот аппарат около 200 кг. Добрая его половина — дугогасительная камера, просто лабиринт из, грубо говоря, шифера. Контакты вместе с приводом — внизу. БВ потому называется быстродействующим, что в его конструкции нет никаких защёлок, как в обычном автомате, подвижный контакт удерживается магнитной силой удерживающей катушки (УК). Благодаря этому отключение очень быстрое — время не теряется на раскрытие всяких защёлок и собачек.
Для включения кнопкой (выключателем) «БВ-1» подаётся питание на УК и кнопкой «Возврат БВ-1» подаётся воздух в пневмопривод. Якорь подводится к сердечнику катушки и примагничивается, но контакты ещё не замкнуты — подвижный контакт «завален», пока в пневмоприводе есть воздух. Это сделано для того, чтобы нельзя было пневмоприводом удержать БВ от выключения, если в силовой цепи уже есть короткое замыкание.
После отпускания «Возврата» шток цилиндра пневмопривода убирается и подвижный контакт «выпрямляется» — БВ включён. На сердечнике вместе с удерживающей катушкой намотан размагничивающий виток (РВ), включённый последовательно с контактами, то есть в силовую цепь. Намотаны УК и РВ так, что их магнитные потоки направлены друг против друга.
Если ток в силовой цепи превысит допустимый, то магнитный поток УК будет настолько пересилен потоком РВ, что силы притяжения не хватит и контакты разомкнутся. А при резком скачке тока (в силовой цепи произошло короткое замыкание) вступит в работу индуктивный шунт (ИШ). Он включён параллельно РВ.
Пока ток устоявшийся — между ИШ и РВ он делится пропорционально. Если же происходит резкий скачок, то ток «упирается» в индуктивность ИШ и почти весь уходит в РВ, многократно усиливая его размагничивающее действие. Это ускоряет отключение БВ при коротких замыканиях.
О поведении индуктивности при скачках тока — в статье «ТЭД-11»:
При отключении БВ загорающаяся между контактами дуга, представляющая собой плазму, расщепляется на части и охлаждается о стенки камеры, что ускоряет гашение. Движется вверх дуга и за счёт конвекции, и за счёт того, что к БВ снизу подведён воздух от мотор-вентилятора, и за счёт магнитных полюсов.
Поток в полюсах создаётся дугогасительной катушкой (ДК), включённой в силовую цепь. Ведь дуга — тоже проводник, превратившийся в плазму металл, и на дугу магнитное поле действует так же, как на любой проводник — по правилу левой руки. Магнитное поле полюсов выбрасывает (выдувает) дугу вверх, в камеру — это называется магнитным дутьём. Вот дугогасительная камера БВП-5 «в разрезе»:
К сожалению, одна конструктивная особенность не даёт поляризованному БВ (БВП) правильно работать в режиме рекуперации, то есть возврата тока в сеть. Пока ток течёт из сети в электровоз — БВП работает правильно, а вот если ток течёт обратно — то РВ будет работать не против УК, а совместно с ней, то есть не отключать выключатель, а только крепче держать. Поэтому в схему возбуждения двигателей при рекуперации введены быстродействующие контакторы (БК), о назначении которых я обещал рассказать в статье «ТЭД-21»:
При срабатывании защиты в режиме рекуперации БК отключаются, снимают возбуждение, двигатели прекращают генерировать, ток опрокидывается из рекуперативного в моторный и БВ отключается штатно.
Вспомогательные цепи на большинстве ВЛ10 защищены БВ-2, на ВЛ10 первых выпусков, а также более старых машинах типа ВЛ8 и на ВЛ82, ВЛ82М — контактором вспомогательных цепей (КВЦ). По сути это простой электромагнитный контактор, никаких устройств защиты (расцепителей) в него не встроено:
Всё, что он умеет — включаться при подаче питания (50 вольт) на катушку электромагнитного привода да отключаться, если питание пропадает. Правда, для надёжного разрыва и при этом сохранения разумных размеров он сделан двойным — рядом стоят две пары контактов, соединённые последовательно. Гашению дуг в камерах помогают катушки — почти как в БВ.
КВЦ работает в паре с дифференциальным реле, описанным в статье «ТЭД-18». Вначале включается кнопка «КВЦ» и на катушку КВЦ подаётся ослабленное питание (через резистор). Потом нажимается «Возврат КВЦ» — на неё кратковременно подаётся полное питание, одновременно включается дифференциальное реле. Если во вспомогательных цепях пробьёт изоляцию — дифреле сработает и КВЦ выключится.
На ВЛ10 средних выпусков стоит неполяризованный БВ-2 типа БВЭ-ЦНИИ, о котором не сейчас — больно нетипично работает. На ВЛ11 и ВЛ10К БВ-2 просто нет — всё защищает один БВ, а вот на ВЛ10 поздних выпусков стоит БВЗ-2 — БВ защёлкивающего типа. Казалось бы, это уже не БВ, раз есть защёлка, но она устроена по-особому — ходит на малый угол и защёлкивается при помощи шарикоподшипников, благодаря этому инерция и трение сведены к минимуму. Вот он на ВЛ15:
Что интересно, на электровозах с БВЗ нет дифреле, так как этот БВ сочетает функции и токового автомата, и выключателя дифференциального тока. Эдакий АВДТ или дифавтомат, говоря языком домашнего электрика...
Как вы могли заметить, выключатель везде называется в мужском роде — "БВ отключилСЯ", "поляризованнЫЙ БВ". В просторечии, в том числе и в железнодорожном жаргоне, всем аббревиатурам обычно лепят средний род — помните, что это неверно. Например, МПСУиД электровоза 2ЭС6 сделана грамотными людьми (кстати, многие — бывшие машинисты) и знает, как правильно:
А ЖД-жаргон — вещь в себе, мало похожая на русский язык, вместо "состав закреплён двумя башмаками, один со стороны Безымянки, второй со стороны Кряжа" вполне можно услышать "...один со стороны Безымянка, второй со стороны Кряж". Прямо "когда мы есть приехать в Москва"... В работе, когда надо быстрей-быстрей, это можно понять, но не на занятиях или в документе.
Включается БВЗ электромагнитным приводом при подаче импульса 50 вольт от кнопки «Включение БВ-2», удерживающей катушки у него нет — удерживается сам за счёт защёлки:
Для выключения в БВЗ есть магнитопровод с якорем, на магнитопроводе намотаны обмотки А и Б, намотаны они встречно и включены как катушки дифреле — одна в начало вспомогательных цепей, вторая в конец (в минус).
Если при пробое изоляции ток небаланса достигнет 50 А, то катушка А пересиливает катушку Б и притягивает якорь. Если же во вспомцепи происходит короткое замыкание и ток переваливает за 600 ампер, то встречно направленных потоков катушек А и Б становится достаточно для притяжения якоря — БВЗ тоже выключается. Для оперативного отключения на магнитопроводе намотана катушка В, на которую достаточно подать 50 вольт от кнопки «Отключение БВ-2».
Как и во многом другом, очень оригинально всё с БВ на ЧСах. Там он один на все высоковольтные цепи — как на ВЛ11 — и при этом защёлкивающего типа. Вот 12HC (12-Харитон-цапля) на ЧС7:
По сути это автомат с электромагнитным расцепителем, катушка расцепителя (по чешской терминологии — электромагнит отключающего устройства) при превышении тока «вышибает» своим поднявшимся якорем защёлку. Включение — как и у нашего, воздухом. Рекуперативного торможения у «чехов» нет, поэтому поляризованность не важна. А ещё на этом фото видна защёлка, которая отпирает дверь ВВК лишь при включении заземлителя, и блокировка, не дающая поднять токоприёмники при открытой двери.
На уральских локомотивах 2ЭС6 и 2ЭС10 стоит свой БВ — ВАБ-55, выключатель анодный быстродействующий. Он тоже защёлкивающего типа и неполяризованный. Свободное расцепление (способность отключиться при коротком замыкании сразу, даже если ещё есть воздух во включающем цилиндре) достигнута за счёт того, что защёлок две — включающего и выключающего механизмов.
Я терпеть не могу эту двойственность нашего языка, что противоположные слова «постоянный» и «переменный», «включение» и «выключение» начинаются с одной и той же буквы, поэтому обозначу так: защёлки включающего и отключающего механизмов — ЗВМ и ЗОМ.
Пневмоцилиндр включения тянет ЗВМ, её же удерживает во включенном положении удерживающий электромагнит. А ЗВМ тянет за собой изоляционную тягу, которая через ЗОМ тянет подвижный контакт. При нормальной работе ЗОМ всегда закрыта и изоляционная тяга ходит как одно целое с контактом. Нормально ВАБ отключается при обесточивании удерживающей катушки — в этом случае открывается ЗВМ и изоляционная тяга с контактом уходят в отключенное положение.
Для быстрого выключения при коротком замыкании служит отключающий электромагнит — по сути электромагнитный расцепитель, как в простом автомате. Он подбивает снизу изоляционную тягу, ЗОМ раскрывается и подвижный контакт уходит в отключенное положение. Уже потом, после обесточивания удерживающей катушки, когда открывается ЗВМ, изоляционная тяга уходит в отключенное положение и «догоняет» подвижный контакт, ЗОМ сама закрывается — и ВАБ вновь готов к работе.
Номинальный ток ВАБ-55 — 2500 А, диапазон уставок (порогов срабатывания отключающего электромагнита) — 2200 — 3500 А. А блок воздушного дутья — простая пневмокамера, связанная с подвижным контактом, она подаёт воздух под контакты, облегчая гашение малых токов, когда магнитное дутьё работает слабо.
Выключатель с голосом пушки — ГВ
Хватит о постоянном токе. На электровозах и электропоездах переменного тока 25 кВ раньше повсеместно стоял воздушный однополюсный выключатель ВОВ-25-4М, он же ВОВ-25А, сейчас же уже много где стоит вакуумный ВБО-25, хотя по виду они похожи. А на ЧСах стоит свой воздушный выключатель, по принципу действия очень похожий на советский ВОВ.
ВОВ на электровозах обозначается как ГВ (главный выключатель), на электропоездах — ВВ (воздушный выключатель) и весит, как и БВП-5, около 200 кг:
Он состоит по сути из двух коммутационных аппаратов — разъединителя и дугогасительной камеры. Разъединитель — поворотный изолятор с ножом, если ГВ отключён — то нож подключён к заземляющему кронштейну, если включён — то к дугогасительной камере. Варистор, как и в обычном сетевом фильтре, рассеивает перенапряжения, только здесь — при отключении, а не при работе.
Дугогасительная камера получает напряжение с токоприёмника и её контакты почти всё время замкнуты. Поэтому для включения ГВ достаточно повернуть с помощью пневмопривода разъединитель — и напряжение пойдёт к главному трансформатору электровоза. Для этого кнопкой «Выключение ГВ» подаются 50 вольт к удерживающей катушке ГВ, кнопкой «Включение ГВ» — ко включающей.
Отключение хитрее: при пропадании питания удерживающей катушки воздух подаётся в дугогасительную камеру, разжимает её контакты и выдувает дугу наружу, в этот момент отключается разъединитель. Через мгновение действие воздуха в дугогасительной камере кончается и её контакты смыкаются обратно, но разъединитель уже выключен. Момент гашения дуги слышен издалека — громкий хлопок, в сырую погоду виден по облаку из ГВ, а ночью — по вспышке.
Как и любой электроаппарат, ГВ иногда отказывает — вот выключатель электровоза ЧС4 с разорвавшейся дугогасительной камерой, варистор тоже превратился в лохмотья:
Как видим, подвижный контакт выполнен в виде штыря, неподвижный (контактное сопло) — в виде канала. Воздух, отжав подвижный контакт, выдувает дугу из кольцевого зазора между контактами в подвижный контакт и далее «на улицу». В момент, когда контакты смыкаются обратно, разъединитель уже выключился и заземлил первичную обмотку трансформатора — то есть замкнул любые наводки на землю, обезопасил вход в высоковольтную камеру.
Конечно, для надёжной работы нужен запас сжатого воздуха, поэтому ГВ имеет свой резервуар, пополняющийся от пневмоцепей управления электровоза, и автомат минимального давления (АМД), не позволяющий включить ГВ при падении давления. На чешской технике он называется проще — реле давления. Вот внутрикузовная часть выключателя 3VVA3, стоящего на ЧС8, которые на «РЖД» были опрометчиво отставлены, но сейчас, на начало 2023 года, возвращаются в строй благодаря санкциям:
Включающий вентиль запускает процесс включения, с другой стороны установлен удерживающий — при его обесточивании запускается процесс отключения, а главный клапан подаёт воздух в дугогасительную камеру для начала процесса отключения. Привод разъединителя — 2-позиционный цилиндр.
Однако, как видим, ГВ по конструкции — как КВЦ, только выключает, но не защищает. На чешских электровозах вся защита выполнена в цепях электровоза, а наш отечественный несёт в себе полтора элемента защиты. Первый — реле максимального тока (РМТ). Чтобы понять, как оно работает, нужно вспомнить трансформатор тока из статьи «ТЭД-10»:
И заглянуть на крышу ВЛ80К:
Тут помимо обещанного ограничителя перенапряжений виден ТПОФ — трансформатор с проходным изолятором однофазный. Это не просто изолятор со стержнем, вводящий в кузов к трансформатору 25 киловольт — в его корпусе уложена вторичная токовая обмотка, на разрезе она показана красным.
Ток, пропорциональный току первичной обмотки трансформатора, течёт через РМТ ГВ, и если ток превышает определённый порог (это настраивается внутри ГВ) — то главный выключатель отключается. Поэтому ГВ и ТПОФ составляют комплект.
Вторая встроенная защита, вернее, «ползащиты» — отключающий электромагнит переменного тока. Питание на него подаётся от обмотки собственных нужд трансформатора (380 вольт) при срабатывании защиты выпрямительных установок — на большинстве ВЛов это блок дифференциальных реле (БРД). Они работают не так, как дифреле на электровозах постоянного тока, и будут рассмотрены отдельно.
А на 3ЭС5К уже с первых сотен, ЭП1М где-то с конца 600-х номеров ставится ГВ с вакуумной дугогасительной камерой — ВБО-25. Его легко отличить по «прямоугольности» — если воздушная камера ВОВ установлена на наклонно стоящем полом изоляторе, то вакуумная стоит на вертикально стоящем изоляторе:
Ещё, как видим, у ВБО нет солидного резервуара — ведь для гашения дуги воздух не нужен, а для привода разъединителя его нужно немного. Само собой, такой ГВ при отключении не стреляет. Ещё хорошо видно, что ОПН выведен из работы — никуда не подключён. Отчаянные ребята эти забайкальцы...
На этой оптимистичной ноте, пожалуй, общий курс вводных аппаратов окончен!
P. S. И жду поправок по мотивам вступления, что якобы на ЖД уклон — это только спуск. Такой жаргонизм, идущий вразрез и с геодезическим, и со строительным, и с автодорожным, и, собственно, с железнодорожным определением уклона, распространён в некоторых кругах. Уклон остаётся уклоном независимо от направления движения поезда. В зависимости от направления движения он становится подъёмом либо спуском.