СИСТЕМА И СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ РЕЖИМА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ, КОТОРЫЙ МОЖЕТ ВОЗНИКНУТЬ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
SYSTEM AND METHOD FOR ELIMINATING GROUND SHORT CIRCUIT MODE WHICH CAN APPEAR IN ELECTRIC MOTOR SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системам электродвигателей для тяговых транспортных средств, более конкретно к системе и способу для обнаружения и устранения режима короткого замыкания на землю, который может возникнуть в системе электродвигателя тягового транспортного средства.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В электровозах и перевозочных транспортных средствах, а также и других больших тяговых транспортных средствах, используемых для перевозки тяжестей (внешоссейные грузовики), обычно используется система электродвигателя, которая включает в себя различные электрические компоненты высокой мощности, такие как генераторы, выпрямители, преобразователи, тяговые двигатели, сетки динамического торможения, охлаждающие вентиляторы и т.п. Эти элементы могут повреждаться со временем из-за различных причин, причем одной из них является электрическое заземление, которое может быть вызвано повреждением изоляции. Например, электровозы могут работать в окружающей среде, подверженной изменениям, например замерзанию и таянию, которые могут повредить электрическую изоляцию посредством образования трещин. Система двигателя электровоза содержит много изолированных обмоток, и избыточный ток утечки может возникнуть со временем из-за различных факторов, таких как изнашивание, влажность, стирание, наросты грязи и т.п. Это особенно характерно для тяговых двигателей, так как влажность часто проникает в эти элементы из-за их местоположения и незащищенности от воздействия жестких условий окружающей среды. Отказы из-за избыточных электрических токов утечки в электрической системе электровозов являются ведущей причиной неисправностей системы и отказов электровоза.
Детекторы токов утечки использовались на многих видах электрического оборудования для защиты оборудования от ущерба, который мог бы возникнуть при наличии большого электрического тока, и/или для защиты персонала от травм, и имеются существенные промышленные предпосылки для текущего контроля тока утечки способами, используемыми в энергосистеме общего пользования или в промышленности. Короткие замыкания на землю могут происходить как результат короткого замыкания в любом из множества различных элементов системы. В электровозе такие элементы могут включать в себя систему привода двигателя, батареи и вспомогательное оборудование. В пределах системы привода двигателя короткие замыкания на землю могут происходить в одном или нескольких элементах, которые включают в себя генератор, выпрямитель, кабельную сеть, тяговый двигатель, резистор динамического тормоза и двигатель вентилятора.
Сложность при устранении условий заземления в электровозе заключается в том, что многие из таких условий могут быть по природе преходящими. Часто, когда происходит режим короткого замыкания на землю, действующая часть электрической системы деактивируется, и электровоз ставится в график текущего ремонта. Однако как только электровоз помещен в мастерскую для ремонта, система может больше не определять аномального заземления, и обслуживающий персонал не может идентифицировать источник короткого замыкания. Часто это обусловлено тем, что избыточный ток утечки вызывается влажностью в электрических элементах. К тому времени, когда электровоз помещен в мастерскую, влага высохла, что определяет устранение высоких токов утечки. Количество влаги, которая способна проникнуть в систему изоляции и привести к высоким токам утечки, часто зависит от состояния системы изоляции. Исправная система показывает относительно малое изменение тока утечки в результате изменения условий окружающей среды, тогда как система с нарушенной изоляцией может показывать большие изменения тока утечки в зависимости от влажности.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ввиду вышесказанного технической задачей настоящего изобретения является возможность раннего предупреждения о возникновении тока утечки (т.е. начинающегося короткого замыкания на землю) в электродвигателе электровоза, чтобы можно было предпринять действия прежде, чем произойдет неисправность, выводящая электровоз из строя, при этом желательно, чтобы действие позволило обеспечить возможность продолженной работы системы двигателя электровоза, чтобы электровоз мог вернуться на своей собственной энергии в сервисную мастерскую для тщательной проверки и ремонта.
Другой задачей изобретения является возможность определения в реальном времени конкретного оборудования, которое вызвало короткое замыкание на землю, когда этот режим происходит, чтобы обслуживающий персонал мог позже отыскать эту информацию и проводить работу на конкретном оборудовании, как только электровоз прибудет в сервисную мастерскую, не пытаясь воссоздать условия окружающей среды, которые, возможно, повлияли на возникновение короткого замыкания на землю, или не затрачивая ценных ресурсов и времени на диагностику свободного от короткого замыкания оборудования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие преимущества изобретения раскрыты в нижеследующем описании предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает принципиальную электрическую схему системы электродвигателя электровоза, выполненную с возможностью работать в «режиме движения», согласно изобретению;
фиг.2 - принципиальная электрическая схема системы электродвигателя на фиг.1, выполненная с возможностью работать в режиме «динамического торможения», согласно изобретению;
фиг.3 - диаграмма примерных испытательных сигналов, которые показывают идентифицируемые характеристики, которые могут использоваться для начинающегося короткого замыкания на землю с конкретным тяговым двигателем электровоза, согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема электрической системы электровоза, которая содержит систему 20 электропривода постоянного тока. Система 20 содержит трехфазную электродвижущую машину 13 (которая может содержать двигатель или генератор). В описываемом варианте осуществления (фиг.1) система содержит генератор 13, соединенный звездой, управляемый основным двигателем, таким как дизельный двигатель (не показан). Тяговое усилие может регулироваться посредством изменения тока возбуждения, следовательно, выходного напряжения, генератора 13. Напряжение переменного тока от генератора 13 затем выпрямляется выпрямителем 26 для формирования напряжения постоянного тока. Тяговые двигатели 28 относятся к тяговым двигателям возбуждения постоянного тока, каждый из которых содержит арматуру 30 и обмотку 32 возбуждения. Обычно имеется четыре или шесть тяговых двигателей в системе 20 привода двигателя электровоза в зависимости от приложений, подключенных параллельно шине 34 постоянного тока через источник постоянного тока.
На фиг.1 дополнительно показана сетка 40 торможения, содержащая резисторы, которые могут быть использованы во время динамического торможения электровоза для перевода электрической энергии в тепловую энергию. Один или несколько приводов 42 вентиляторов также подключены к шине 34 постоянного тока. Приводы вентиляторов могут иметь множественные скорости, которые обеспечивают регулируемую циркуляцию охлаждающего воздуха к сеткам 40 торможения и тяговым двигателям 28. Хотя описание текущего контроля тока утечки, содержащееся здесь, дано в контексте системы двигателя для типичного электровоза электропривода постоянного тока, предусматривается, что способы, описанные ниже, также применимы к системам электровоза электропривода переменного тока, так как изобретение не ограничено каким-либо конкретным типом системы электродвигателя. Кроме того, предусматривается, что аспекты данного изобретения применимы не только к электровозам, но к любому типу больших, тяговых транспортных средств, снабженных системой электродвигателя, таких как перевозочные транспортные средства и внедорожные транспортные средства.
На фиг.1 показано первое заземление 11 для системы 20 электродвигателя. Это первое заземление формирует путь заземления, например, от нейтрального узла 12 в генераторе 13 к каркасу электровоза (земле), который может использоваться системой электродвигателя во время нормальной работы для электрического заземления, например для пропускания тока утечки. Первое заземление может быть выбрано для повышения детектируемости или обнаружения начинающегося короткого замыкания на землю в системе двигателя. Например, в случае когда первое заземление является подключением нейтрального узла, этот узел обеспечивает соответствующую электрическую видимость для целой системы с пониманием того, что одно потенциальное слепое пятно может возникнуть в генераторе в точке, электрически приближенной к нейтральной точке 12 (или в ней). Таким образом, подключение нейтрального узла может быть выбрано в качестве заземления во время нормальной работы, например, когда не подозревается никакого короткого замыкания.
В одном варианте осуществления ток утечки может контролироваться устройством 15 текущего контроля в параллельной цепи с импедансом 14 (например, резистором 10 Ом), которое подключено к контроллеру 16 таким образом, что предупреждения, выключения или соответствующие действия переключения заземления, описанные более подробно ниже, могут быть активированы, когда ток утечки достигает заданного предела тока утечки. Хотя описание относится к току утечки, ясно, что ток утечки пропорционален напряжению утечки, поэтому либо ток, либо напряжение может использоваться как сигнал утечки.
В соответствии с аспектами данного изобретения в случае, когда уровень тока утечки превышает заданный предел тока утечки, реле 17 срабатывает в ответ на переключающий сигнал от контроллера 16 для переключения заземления системы электродвигателя от первого заземления ко второму заземлению 18. Второе заземление предпочтительно образует путь заземления при относительно более низком напряжении, чем напряжение в пути заземления, образованном первым заземлением.
Было установлено авторами изобретения, что обеспечение второго заземления может преимущественно дать возможность продолженной работы системе двигателя электровоза, чтобы обеспечить возможность вернуться в сервисную мастерскую для выполнения проверок и ремонтов. Кроме того, использование второго заземления вместо первого заземления позволяет избежать потенциального увеличения начинающегося короткого замыкания на землю, когда электровоз выходит из строя. Это позволяет получить значительное преимущество над известными способами, поскольку традиционно как только обнаружен режим короткого замыкания на землю, например ток утечки достигает величины порядка 0,5 А, система управления отключает систему двигателя электровоза, чтобы избежать существенного вреда, который может быть нанесен оборудованию, если режим короткого замыкания на землю увеличится в полностью развитое короткое замыкание на землю, когда величина тока утечки потенциально достигнет сотен Ампер.
Второе заземление 18 установлено в отрицательном проводе шины постоянного тока. Однако второе заземление может быть установлено в любом одном из первого и второго проводов напряжения шины постоянного тока, например положительном или отрицательном проводах. Можно выбрать в качестве второго заземления любой узел цепи, который обеспечивает путь заземления при относительно более низком напряжении, чем напряжение в пути заземления, образованном первым заземлением. Множество возможных точек заземления необязательно ограничено двумя точками.
1
6
Система 20 электродвигателя дополнительно содержит множество контакторов 20-20, которые могут быть индивидуально установлены в электрически замкнутое состояние или в электрически разомкнутое состояние. В замкнутом состоянии соответствующий контактор электрически подключен в цепь одного из тяговых двигателей 28 для приема напряжения от шины постоянного тока.
1
2
6
В соответствии с дополнительными аспектами данного изобретения перед переключением на второе заземление можно выполнить тестовую последовательность, которая позволяет определить, какой конкретный тяговый двигатель может испытывать режим начинающегося короткого замыкания на землю. Например, можно первоначально установить контактор 20 (или любой из других контакторов 20-20 в системе двигателя) из замкнутого состояния в разомкнутое состояние и контролировать результирующую переходную характеристику сигнала в токе утечки. Авторами изобретения было определено, что характеристика в контролируемом переходном сигнале ответа может указывать на наличие начинающегося короткого замыкания на землю соответствующего тягового двигателя, связанного с этим контактором. Например, изменение в контакторе от замкнутого состояния к разомкнутому состоянию может индуцировать реакцию L di/dt (например, изменение тока по времени при наличии полного сопротивления с индуктивной реактивной составляющей) в поврежденном пути цепи, например тяговом двигателе. В частности, цепь, которая вызывает ток утечки, может создать заметный выброс на сигнале тока утечки при осуществлении такой реакции L di/dt. Этот выброс может быть легко распознан, и соответствующая информация о коротком замыкании может быть зарегистрирована в памяти в отношении конкретного тягового двигателя.
Следует отметить, что повторное подключение точки отсчета заземления в любой электрической системе может иметь различный эффект. Один состоит в сдвиге потенциала относительно заземления в различных местоположениях в цепи. Это может выгодно изменить рабочее напряжение системы (систем) изоляции. Например, уменьшение рабочего напряжения может эффективно уменьшить необходимость в электрической изоляции и, таким образом, уменьшить ток утечки, который мог бы развиться в любой точке повреждения изоляции. Уменьшение тока в свою очередь может выгодно уменьшить скорость накопления повреждения в точке короткого замыкания. Уменьшенная скорость повреждения может позволить, чтобы прошло дополнительное время перед достижением функционального отказа оборудования. Дополнительное время в свою очередь может позволить высохнуть любым связанным с влажностью путям утечки.
В общем, любая электрическая система с фиксированным местоположением заземления цепи и способ детектирования короткого замыкания на землю, ограниченный измерением тока утечки в этом фиксированном местоположении, не будут обеспечивать детектирование заземлений в цепи, которые находятся при относительно низком потенциале относительно точки заземления системы. Например, для нейтрального заземления генератора переменного тока (фиг.1), любые повреждения изоляции, которые происходят в точке цепи, электрически примыкающей к нейтральному узлу 12 генератора переменного тока (или в нем), не будут детектироваться, если использовать способ детектирования заземления известного уровня техники, которые основаны на фиксированном местоположении заземления. Преимуществом данного изобретения является то, что наличие возможности избирательно переключать точку заземления на одно или несколько электрически различных местоположений, по существу, позволяет осуществлять детектирование неисправности изоляции в любой точке в цепи. Слепые пятна для детектирования короткого замыкания на землю, по существу, могут быть устранены. Например, в одном варианте осуществления данного изобретения, можно время от времени (даже в отсутствие указания на избыточный ток утечки) переключаться с первого заземления 11 на второе заземление 18. Если во втором заземлении ток утечки не обнаружен, то это указывает на то, что везде в цепи короткие замыкания на землю отсутствуют. Если, однако, обнаружен избыточный ток утечки во втором заземлении, то это указывает на начинающееся короткое замыкание на землю, электрически приближенное к нейтральному узлу 12. Действие по переключению может быть выполнено, например, один раз в неделю, каждую вторую неделю и т.д. Таким образом, периодическое переключение заземлений позволит устранить возможность начинающегося короткого замыкания на землю, которое могло бы развиться в электрически слепом пятне относительно первого заземления. Это также является одним примером определения местоположения короткого замыкания на землю на основе тока утечки, которое может развиться в различных заземлениях цепи.
Ниже описан другой пример определения местоположения короткого замыкания на землю, основанный на эффекте тока утечки, который может развиться в различных заземлениях цепи. Если предположить, что детектирование тока утечки происходит в первом заземлении, и дополнительно предположить, что после переключения на второе заземление 18 ток утечки также имеет место во втором заземлении, то это указывает на начинающееся короткое замыкание на землю, электрически приближенное к положительному проводу шины постоянного тока. Таким образом, анализ контролируемого тока утечки может быть выполнен для получения диагностической информации относительно начинающегося короткого замыкания на землю, такой как определение вероятного местоположения короткого замыкания на землю в цепи.
Следует отметить, что если потенциал в заданном местоположении цепи уменьшен, то это может повлиять на рабочее напряжение в других точках цепи, например, может привести к более высокому рабочему напряжению. Более высокое напряжение в свою очередь может увеличить напряжение изоляции для этих других местоположений цепи. Соответственно, эти случаи следует рассматривать в стратегии переключения точки соединения. Например, одним путем адресации может быть уменьшение напряжения, например, уменьшенного возбуждения генератора, или уменьшенные периоды работы могут быть вызваны при более высоких потенциалах. Для варианта осуществления цепи, когда заземление переключается от нейтрального узла 12 к отрицательной шине постоянного тока, напряжение заземления может значительно возрасти в нейтральном узле и также в арматуре тягового двигателя. Для этого варианта осуществления падение напряжения через возбуждение двигателя является относительно низким по сравнению с падением через арматуру 28. В общем, большинство схем цепей работают при использовании первичной точки заземления, подлежащей использованию во время режима исправной цепи. На вторичную точку заземления можно переключиться для диагностических целей, например увеличения напряжения в различных местоположениях цепи.
Как отмечалось выше, диагностическая информация может быть получена из эффектов, которые могут иметь место в токе утечки, когда точка заземления системы переключается от одной точки к другой. Обычно, если ток утечки уменьшается для данного уровня напряжения системы, то короткое замыкание на землю вероятно в местоположении, которое имеет уменьшение потенциала в результате переключения соединения.
Контакторы и связанное распределительное устройство показаны на фиг.1 в конфигурации «работы». В этом случае типичным максимальным напряжением через тяговые двигатели последовательного соединения является напряжение около 1250 В постоянного тока. Обычно около 15-30 В постоянного тока пройдет через основное поле, отметим, что сопротивление и/или падение напряжения изменяется с температурой обмотки. Это означает, что большая часть напряжения шины постоянного тока пройдет через арматуру 28 тяговых двигателей. Если нейтраль генератора является точкой заземления, то как арматура, так и поля тягового двигателя покажут максимальное фазное напряжение относительно заземления. Если заземление переключается к месту, электрически приближенному к отрицательной шине, то поля (основное и коммутирующее) покажут уменьшение рабочего напряжения к заземлению до около 20-30 В постоянного тока, тогда как арматура покажет приблизительно удвоенное фазное напряжение. В этом случае обмотка генератора переменного тока может также выдерживать удвоенное фазное напряжение к заземлению в ее наиболее крайних конечных точках. Было обнаружено, что тяговые двигатели постоянного тока испытывают неисправность изоляции в их основной или коммутирующей обмотке возбуждения более часто, чем в обмотке арматуры. Это может быть обусловлено различными причинами, включая сохранение влажности в каркасе тягового двигателя и другие факторы. Ввиду вышеприведенных характеристик относительно типичного местоположения неисправностей изоляции указанное переключение заземления имеет сопутствующие практические преимущества для этого приложения, хотя следует понимать, что преимущества не ограничены этим приложением.
На фиг.2 показан вариант осуществления системы двигателя, как на фиг.1, за исключением того, что контакторы и соответствующее распределительное устройство показаны в конфигурации «динамического торможения». Соответственно аспекты данного изобретения могут использоваться независимо от режима работы системы двигателя, например двигателя, динамического торможения и самозагрузки. Как ясно специалисту в данной области техники, самозагрузка относится к тестовому режиму, в котором тяговая система работает без приведения в движение электровоза. Генерируемая электрическая энергия рассеивается в мощных резисторных сетках вместо использования для управления тяговыми двигателями электровоза.
1
2
1
2
На фиг.3 представлена диаграмма испытательных сигналов, которые могут использоваться для описания понятий, которые позволяют соотнести начинающееся короткое замыкание на землю с конкретным тяговым двигателем. Сигнал 60 представляет ток утечки, сигнал 62 представляет испытательный сигнал, связанный с тяговым двигателем, испытывающим режим начинающегося короткого замыкания на землю, и сигнал 64 представляет испытательный сигнал, связанный с тяговым двигателем, свободным от какого-либо короткого замыкания на землю. Во время Т контактор, связанный с тяговым двигателем с начинающимся коротким замыканием на землю, устанавливается в разомкнутое состояние. Во время Т контактор, связанный с тяговым двигателем, свободным от какого-либо короткого замыкания на землю, устанавливается в разомкнутое состояние. Сравним существенный выброс 66, который развивается в токе утечки, по существу, во время Т из-за индуцированного контактором перехода, с отсутствием какого-либо выброса в токе утечки после времени Т.
1
2
Предположим, что установка контактора 20 в разомкнутое состояние не вызывает переходной характеристики сигнала в токе утечки, тогда тестовая последовательность может быть продолжена для остающихся тяговых двигателей. Например, тогда можно установить контактор 20 в разомкнутое состояние и контролировать результирующую переходную характеристику сигнала в токе утечки. В этом случае в токе утечки детектируется переходная характеристика сигнала (например, выброс), при этом соответствующее короткое замыкание может быть зарегистрировано в памяти по отношению к конкретному тяговому двигателю. Эта информация может быть восстановлена позже обслуживающим персоналом и позволит обслуживающему персоналу сфокусироваться на конкретном тяговом двигателе. Это может сэкономить значительное время для диагностики, так как обслуживающий персонал может сфокусировать внимание на одном тяговом двигателе, а не иметь дело с множеством тяговых двигателей.
Хотя здесь были показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления данного изобретения, ясно, что эти варианты указаны только в качестве примера. Предполагается, что изобретение ограничено только сущностью и объемом прилагаемой формулы изобретения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
Номер части
Название
11
первое заземление
12
нейтральный узел
13
генератор
14
импеданс
15
устройство текущего контроля
16
контроллер
17
реле
18
второе заземление
20
система двигателя
20<sub>1</sub>-20<sub>6</sub>
контакторы
26
выпрямитель
28
тяговые двигатели
30
арматура
32
обмотка возбуждения
34
шина постоянного тока
40
сетки торможения
42
двигатели вентилятора