5.Пожарная опасность электрооборудования пассажирских вагонов.

Электрооборудование пассажирских вагонов разнотипно, сложно по устройству, работает в тяжелых условиях. В процессе эксплуатации на вагон действуют динамические усилия, только по форме своего проявления, а прогнозирование их зависит от достигнутого уровня эксплуатационного обслуживания и наличия контрольно-диагностической аппаратуры.

Приработочные отказы, возникающие в течение первого, срав­нительно короткого периода эксплуатации вагона, обусловлены главным образом скрытыми дефектами в деталях и нарушениями технологических процессов изготовления и ремонта электрообо­рудования. Примером дефектов, вызывающих приработочные от­казы, могут служить раковины, трещины и пустоты металличес­ких корпусов в несущих и токоведущих частях электрических машин и аппаратов, пустоты и металлические вкрапления в изо­ляционных элементах, некачественное исполнение паек и болто­вых контактных соединений, ошибки и неточности в настройке и регулировке аппаратов, надрезы изоляции и токоведущих жил проводов и т. п.

Внезапные отказы возникают при резком возрастании нагрузок и внешних воздействий, превышающих допустимый для данного элемента уровень. Появляются такие отказы, как следствие несо­вершенства конструкции узлов.

Конструкция вагонов не обеспечивает достаточную защищен­ность электрических машин, аппаратов и приборов от воздействия пыли и влаги. Например, вода и пыль могут попасть в коробки дат­чиков нагрева букс, в аккумуляторные ящики, подвагонные силовые выводы электрических аппаратов, в генераторы, номерные и сигналь­ные фонари. Желоба с электропроводкой под полом служебного поме­щения иногда заливаются водой при уборке вагона. В ряде случаев выход из строя нагревательных элементов кипятильников и пакетных переключателей светильников котельного отделения происходит в ре­зультате попадания влаги, конденсирующейся в трубах электропро­водки и стекающей внутрь аппаратов.

Как показала практика, предусмотренные проектами электри­ческие материалы для вагонов ранних лет постройки не всегда соответствуют условиям эксплуатации. Так, например, класс нагревостойкости изоляции проводов светильника над плитой ва­гонов-ресторанов и электронагревательных элементов должен быть значительно выше. Электроаппаратура холодильных агре­гатов в верхних нишах кухни и раздаточного отделения ваго­нов-ресторанов не обеспечена достаточным отводом тепла. Пре­вышение в условиях эксплуатации расчетных токовых и механи­ческих нагрузок вызывает выход из строя таких элементов, как пружины фиксаторов пакетных переключателей, шпильки нагревательных элементов и силовые контакты контакторов.

Электрооборудование вагонов последних лет постройки в значительной мере не имеет указанных недостатков, однако ряд конструктивных решений все же недостаточно удачен и приводит к внезапным отказам.

К таким отказам следует отнести:

- взрывы газа в аккумуляторных ящиках из-за недостаточной вентиляции и отсутствия контроля газообразования;

- повреждения полупроводниковых элементов при перенапряжениях вследствие недостаточного быстродействия систем регулирования напряжения;

- выход из строя аккумулятор­ных батарей из-за постоянного недозаряда или перезаряда и несо­вершенства аппаратуры регулирования зарядного тока.

Проклад­ка проводов в трубах, обеспечивающая защиту от механических повреждений и повышение пожарной безопасности, может при оп­ределенных условиях приводить к увлажнению проводов из-за об­разования конденсата в трубах.

Нарушение правил эксплуатации, плановых ремонтов и техни­ческих ревизий усиливают влияние конструктивных недоработок. Трудный доступ для осмотра и ремонта сетей и аппаратуры, из­лишне плотный монтаж, затрудняющий восстановление повреж­денных участков, неудобная система маркировки проводов не обес­печивают качественный осмотр и ремонт некоторых узлов.

К внезапным отказам приводят резкие возрастания токов и напря­жений в переходных и аварийных режимах, высокие температуры от­дельных элементов системы и окружающей среды, интенсивное увлаж­нение изоляционных конструкций, резкие удары, вибрации и механи­ческие перегрузки, возникающие в элементах. Например, напряжение и ток в сети могут превзойти допустимый уровень в момент переключения зарядного тока как вследствие нарушения параметров устройств авто­матического регулирования, так и в момент резкого сброса нагрузки при высокой частоте вращения генератора. Особенно характерным яв­ляется режим, возникающий при перегорании предохранителя аккуму­ляторной батареи на ходу поезда в момент, когда подключена лишь небольшая часть потребителей. Наиболее чувствительны даже к крат­ковременным перенапряжениям полупроводниковые приборы, в кото­рых при этом возникают пробои или обрыв токопроводящего слоя.

Из всех многочисленных свойств электрического тока наиболее ин­тересным с точки зрения пожарной безопасности является переход од­ного вида энергии в другой, т.е. превращение электрической энергии в тепловую. Количество выделенного тепла Q ккал, при прохождении электрического тока по проводнику определяется по формуле

Q = 0,24/² К 1,

где / — сила тока, А;

К — сопротивление проводника, Ом;

т — время прохождения тока, с;

0,24 — тепловой эквивалент электрической энергии.

По существу, вся пожарная профилактика в электроустановках основана на этом свойстве.

Резкое повышение температуры возникает при ослаблении кон­тактных соединений в местах подключения к лампам накаливания и электронагревательным приборам при возрастании токов утечки. При этом быстро разрушается изоляция, могут возникнуть замыка­ния на корпус, еще больше увеличиваются токи утечки. Нарушения изоляции под воздействием механических ударов и вибраций осо­бенно часто наблюдаются на вводах в электрические аппараты.

Внезапные отказы, как правило, возникают неожиданно и не поддаются прогнозированию. Профилактическими работами они, как правило, не предупреждаются, и предсказать, когда они про­изойдут на том или ином вагоне, практически невозможно.

Износовые отказы отражают степень развития процессов из­носа и старения конструктивных элементов электрического обору­дования вагона. Износовые отказы поддаются прогнозированию, и в большинстве случаев они могут быть предупреждены путем своевременного принятия профилактических мер.

Анализ процессов возникновения и развития отказов электрообо­рудования свидетельствует о том, что протекание этих процессов зависит от многих условий, определяемых его конструктивными осо­бенностями, качеством изготовления и технического обслуживания, режимами эксплуатации электрооборудования и воздействием на него окружающей среды.

Нормальное функционирование систем электроснабжения пас­сажирских вагонов в значительной степени зависит от надежности их электрических сетей.

По мере постоянного совершенствования электрооборудования, связанного с безопасностью движения и улучшением комфортных условий, возрастает количество потребителей электроэнергии, ус­ложняются системы контроля, регулирования и сигнализации, что приводит к возрастанию протяженности и усложнению формы электрических сетей. Следовательно, растет вероятность возникновения отказов сетей, связанных с различного рода скрытыми дефектами применяемых материалов, возможными их конструктивными недора­ботками и эксплуатационными воздействиями.

По основным видам отказы V, %, распределяются следующим образом:

• недопустимое снижение сопротивления изоляции 41,7;

• нарушение контактных соединений 17,8;

• замыкание токоведущих частей на корпус 17,1;

• повреждение наконечников 6,4;

• потеря изоляцией механических свойств 6,1;

• механические повреждения изоляции 5,9;

• выгорание изоляционных конструкций 1,9;

• выгорание токоведущих частей 1,8;

• короткие замыкания 1,3.

Электрические сети вагонов имеют широко разветвленную пространственную структуру, причем полностью вся сеть или от­дельные функциональные группы не могут быть достаточно про­сто заменены в эксплуатации с целью профилактики отказов как, например, генератор или аккумуляторная батарея. Замена значительных участков сети в большинстве случаев — трудоем­кая операция, требующая предварительной разборки ряда эле­ментов кузова вагона. Эти особенности сетей и определяют их место и ведущую роль при оценке сроков службы или ресурса до заводского ремонта как всего электрооборудования, так и ваго­на в целом.

Поэтому при оценке надежности сетей наряду с показателями безотказности, играющими важнейшую роль в эксплуатации и текущем обслуживании, как электрических машин, так и аппара­тов, особое значение приобретают показатели долговечности.

Увеличение дальности перевозок и скоростей движения усили­вает воздействие разрушающих факторов и ускоряет естественное протекание процессов износа и старения.

Формирование потока отказов электрических сетей пассажир­ских вагонов обусловлено влиянием двух групп факторов. К первой группе относятся факторы, связанные с недостатками конструктивных решений, качеством монтажа при изготовлении и ремонтах. Этими факторами в основном определяются приработочные и внезапные отказы.

Вторую группу составляют факторы условий эксплуатации под воздействием которых постепенно с течением времени ухудшаются параметры, определяющие безотказную работу сетей, т.е. развиваются процессы износа и старения.

Основными конструктивными элементами вагонных электри­ческих сетей являются токоведущие части, изоляционные конструк­ции, контактные соединения, элементы защиты от механических повреждений.

Токоведущие части электрических сетей пассажирских ваго­нов в соответствии с действующими нормативами имеют доста­точно большой запас прочности как по токовым нагрузкам во всех рабочих и большинстве аварийных режимах, так и в отно­шении вибрации и динамических нагрузок, возникающих при движении поезда. Поэтому отказы, которые возникают непосред­ственно на токоведущих частях, как правило, не носят износового характера.

Степень износа электрических сетей в основном определяется состоянием изоляции. Для большинства изоляционных материалов, применяемых в электрических сетях вагонов (резины, пластмассы, ткани, эмали), характерным является процесс постепенного измене­ния механических и электроизоляционных свойств под влиянием взаимодействия с окружающей средой (процесс старения). Харак­тер и скорость протекания процесса старения определяется непре­рывным или периодическим действием различных факторов.

Наиболее важными факторами ухудшения электроизоляцион­ных и механических свойств полимерных материалов, к которым относятся практически все изоляционные конструкции электричес­ких сетей вагонов, являются сорбционные процессы, термоокисли­тельная деструкция и механическое разрушение.

Характерными признаками старения являются монотонность, т. е. непрерывность их протекания независимо от того, находится ли вагон в эксплуатации или в парке отстоя, а также тенденция к уве­личению скорости протекания процесса по мере его развития.

Наиболее ответственными с точки зрения обеспечения надежнос­ти электрооборудования, а вместе с ним и пожарной безопасности вагонов с автономными системами электроснабжения являются уст­ройства автоматического регулирования напряжения.

Определяющим видом отказов устройств автоматического регу­лирования электрооборудования являются параметрические отка­зы, связанные с нарушением регулировок основных параметров.

Одно из главных мест в решении проблемы устойчивого функционирования всех

элементов и систем вагонного электрооборудования занимает вопрос надежности работы основного источника питания — генератора.

Сложность конструкции и тяжелые условия эксплуатации генераторов определяют сравнительно высокий уровень их повреждаемости: параметр потока отказов генераторов в эксплуатации составляет в среднем 5% от общего потока отказов электрообору­дования новых вагонов, а для вагонов более ранних лет постройки до 25%. В структуре потока отказов существенно преобла­дают отказы износового характера, т.е. постепенные отказы.

К основным видам износовых отказов генераторов относятся: механические износы деталей коллекторно-щеточного аппарата и подшипниковых узлов; обрывы жил проводов и гибких электри­ческих соединений вследствие вибраций; отказы, вызванные за­грязнением и увлажнением изоляции обмоток, коллектора, изоля­ционных конструкций щеточных траверс, переключателя полярно­сти и выводных щитков; перетирание изоляционных элементов и покровной изоляции полюсных катушек, а также отказы, вызван­ные старением и потерей эластичности пазовой и витковой изоля­ции обмоток.

Наиболее опасны для системы электроснабжения вагона отка­зы, связанные с пробоем на корпус изоляции полюсных катушек генераторов. В большой степени снижают уровень изоляции влага и грязь, попадающие под кожуха во время движения поезда. Значительное количество конденсационной влаги образуется внут­ри машины при резкой смене температур, вызванной изменениями режимов нагрузки и частоты вращения. Под воздействием этих факторов ускоряются процессы старения изоляции обмоток и дру­гих токоведущих частей генераторов, а также процессы механичес­кого износа подвижных деталей.

Для нормального функционирования системы электроснабжения пассажирских вагонов необходимо тщательно следить за вспомо­гательными источниками питания — аккумуляторными батареями.

Используемые на пассажирских вагонах кислотные и щелочные аккумуляторы должны обладать высокой эксплуатационной на­дежностью.

Основными видами повреждения кислотных аккумуляторов являются сульфатация

пластин и короткие замыкания. Батарея сульфатируется, когда она получает слишком малый заряд, а также если долго находится в разряженном или полуразряженном состоя­нии. Выпадение шлама способствует возникновению короткого за­мыкания в элементах. Большое значение для безотказной работы аккумуляторной батареи имеет чистота электролита и дистиллиро­ванной воды, употребляемой для доливания.

Щелочные аккумуляторы подразделяются на никель-железные и никель-кадмиевые, имеющие ряд характерных неисправностей возникающих в процессе эксплуатации, основными из которых яв­ляются:

-потеря емкости, которая может быть вызвана: длительной рабо­той на электролите из едкого калия или едкого натра;

- накоплением углекислых солей;

- пониженным уровнем электролита;

-систематическим недо зарядом;

-коротким замыканием пластин;

-утечками тока;

-наличием в электролите вредных примесей; повышенным саморазрядом, вызываемым короткими замыканиями и утечками тока на корпус;

-отсутствие напряжения на батареи, вызываемое, как правило, отсутствием контакта в соединениях между элементами, механичес­кими повреждениями штырей, соединяющих пластины с полюсными зажимами, отсутствием электролита в одном из элементов.

Безотказность аккумуляторных батарей во многом зависит от режима эксплуатации и технического обслуживания в межремонт­ный период.

Наиболее полно отражает технический прогресс в области ваго­ностроения существенно возросший удельный вес электромагнит­ной и другой коммутационной аппаратуры, установленной на пассажирских вагонах. В значительной степени это относится к промежуточным реле, которые обеспечивают необходимую после­довательность выполнения операций включения и выключения электрических агрегатов.

Коммутационная аппаратура перетерпела не только количествен­ные, но и качественные изменения. Если общее количество коммутаци­онных аппаратов на вагонах 50-х годов составляло 20-25 единиц на вагон, то на современных это количество возросло до 130-150 единиц.

Эксплуатация аппаратуры пассажирских вагонов имеет ряд характерных особенностей, которые предъявляют повышенные тре­бования к конструкции самих аппаратов, их установке и степени защищенности от атмосферных и механических воздействий.

Особенностью эксплуатации коммутационной аппаратуры явля­ется воздействие вибрации и ударных нагрузок во время движения поезда, достаточно плотная компоновка аппаратов в нишах электрических щитов и недостаточно эффективная система охлаждения. Например часть коммутационной аппаратуры расположена в герметизированных подвагонных ящиках вместе с пускорегулирующими резисторами. В этом случае имеются определенные трудности: с одной стороны, необходимо предохранить аппараты от воздействия пыли и влаги, а с другой, требуется охлаждение для нормального теплового режима работы. При конструировании уделяется большое внимание герметизации, чем ухудшается охлаждение аппаратов, ускоряется процесс старения изоляции и выход аппаратуры из строя.

Установленные на вагоне электрические аппараты по конструк­тивным признакам можно условно разделить на две основные группы: реле и контакторы; выключатели и переключатели.

Реле и контакторы являются сложными элементами, состоящими из нескольких функциональных узлов (обмотка, магнитопровод, контакты), образующих единую конструкцию.

У электромагнитных коммутационных аппаратов имеют место отказы как воспринимающей, так и контактной системы. К вос­принимающей части относятся: обмотка, магнитопровод и устрой­ство, преобразующее электромагнитное усилие в механическое пе­ремещение. Исполнительной частью являются контакты.

Отказы отдельных функциональных узлов аппаратов являются следствием различных необратимых процессов. Так как эти про­цессы вызваны совместным действием большого количества случай­ных факторов, то и отказы имеют случайный характер. Ненадеж­ность работы электромагнитных аппаратов характеризуется дву­мя видами отказов: внезапным и постепенным.

Основными причинами отказов катушек (обрыв и витковое за­мыкание) следует считать механические воздействия, тепловые и электрические нагрузки, переходные электрические процессы при включении и отключении напряжения питания обмотки, а также пробои изоляции из-за электролиза и коррозии.

Характерными причинами внезапных отказов механических систем аппаратов являются: необратимая деформация и поломка отдельных деталей (например, короткозамкнутых витков) пластмассовых корпусных элементов и траверс, ослабление креплений, перекосы, заедание и заклинивание подвижной системы.

Контакты имеют три типа отказов: незамыкание, неразмыкание и сбои. К причинам таких отказов можно отнести нарушение механической регулировки вследствие остаточной деформации контактных пружин, образование поверхностных непроводящих пленок из-за окисления, загрязнения и попадания на контактные поверхности инородных изоляционных частиц. Достаточно большой процент отказов (более 20%) приходится на выгорание контактов. Выго­рание контактов является следствием недопустимого увеличения пере­ходного сопротивления контактов, а также уменьшения поверхности соприкосновения подвижного и неподвижного контактов.

Высокий процент отказов реле и контакторов объясняется кон­структивными особенностями некоторых типов аппаратов у кото­рых предусмотрено большое число регулировок (ход якоря, отклю­чающей пружины, притирающей пружины и т.п.). Эти особеннос­ти конструкции в условиях вибрации и ударных нагрузок приводят к частым разрегулировкам.

Основными причинами отказов выключателей и переключателей являются: образование на поверхности контактов непроводящих пле­нок, пробой изоляции между контактами вследствие влияния повы­шенной влажности и температуры, заедания и поломки механизма.

Большое влияние на надежность оказывает электрическая нагруз­ка. Температура контактов при нагрузке повышается и может дос­тигнуть температуры плавления материалов покрытия контактов. Кроме того, сростом температуры контактов возрастает химическая активность среды. Пары вещества, выделяющиеся из изоляционных материалов, осаждаются на контактных поверхностях. Например, резина и эбонит выделяют серу, а полихлорвинил — хлор.

Несмотря на достаточно невысокую частоту включения переклю­чателей в эксплуатации, поломки механизма составляют основную причину их выхода из строя. Неисправность механизма переклю­чателя приводит к отсутствию четкой фиксации положений, неполному соприкосновению губок неподвижного контакта корпу­са с подвижными контактами ламели. Это приводит к увеличению плотности тока в контакте, его перегреву, выгоранию изоляцион­ных элементов и оплавлению самого контакта.

Коммутационная аппаратура электрооборудования образует си­стему управления потребителями вагона, состоящего из большого числа элементов. Ее работу можно квалифицировать как сезонную, т. е. в летний период наиболее загружены аппараты, обеспечиваю­щие работу установок кондиционирования воздуха и вентиляции, в зимний период — аппараты, обеспечивающие работу установок отопления. В достаточно длительные периоды значительная часть коммутационной аппаратуры находится в нерабочем состоянии. Однако весь этот период она подвергается вибрационным и удар нагрузкам и воздействию окружающей среды. Эти условия делают возможными появления отказов и у неработающего аппарата, «пример, обрыв катушки из-за некачественной пайки выводных концов, т.е. отказ может появиться задолго до момента коммутации.

Наиболее важными с точки зрения надежности электрооборудоания являются контактные соединения.

Высокие требования к надежности контактных соединений обус­ловлены их массовостью и многообразием исполнений даже на ваго­нах одного и того же типа. Количество контактных соединений на вагонах ранних лет постройки составляет 300-500 единиц, а на современных их более 1000. Другая особенность состоит в том, что отказы контактных соединений приводят к аварийным режимам.

К контактным соединениям провода подсоединяются как непос­редственно собственными токоведущими жилами, так и через различ­ного рода оконцеватели-наконечники. Наконечники соединяются с токоведущими жилами проводов путем обжима, пайки или сварки.

При работе контактных соединений электрооборудования в рабочей зоне происходят сложные физико-химические, механичес­кие и электрические процессы, приводящие к нагреву, окислению и уменьшению контактных нажатий. Все эти процессы происходят в небольшом труднодоступном для наблюдения объеме и потому еще мало изучены. Проведенные исследования, а также многократное моделирование процессов в лабораторных условиях позволяют ус­тановить, что основным фактором, определяющим развитие отка­зов контактных соединений, являются вибрации, приводящие к ос­лаблению контактного усилия соединений и самоотвинчиванию крепящих гаек и болтов.

В условиях вибрации в ослабевших соединениях возникают перемежающиеся, нарастающие по интенсивности искровые про­цессы, под воздействием которых в зоне контакта появляется на­гар, происходит электрический износ (электроискровая эрозия) контактируемых поверхностей, переходное сопротивление возрас­тает в пределах значений 6 • 10~³ < Д_п < 1 Ом.

По мере развития процессов износа нарастает интенсивность скрений, возникают все более длительные перемежающиеся дуговые процессы, сохраняющиеся и при отсутствии вибраций. Выделяющееся при этом тепло вызывает разогрев элементов до-270°С, что в условиях ионизации достаточно для воспламене-изоляции проводов, выгорания

изоляционной панели в зоне соединения и отгорания наконечников токоведущих

проводов.

Начиная с 60-х годов, на пассажирских вагонах получили широкое применение различного рода электронные устройства которые постепенно стали приходить на смену электромеханичес­ким аппаратам. По своему функциональному назначению в систе­ме электрооборудования они подразделяются на: регуляторы на­пряжения и тока генератора, реле защиты от перенапряжений и минимального напряжения, статистические преобразователи по­стоянного тока в переменный, регуляторы температуры, реле на­грузочного тока.

Работая в различных системах электрического оборудования пассажирских вагонов, электронные приборы и устройства испы­тывают на себе эксплуатационные факторы, которые условно мож­но разделить на внешние и внутренние. К внешним относятся: тем­пература, влажность, давление и химический состав окружающей среды, электромагнитные поля, радиация, механические нагрузки, вибрации, удары и другие факторы, влияющие на элементы неза­висимо от того, работают они или выключены. К внутренним фак­торам относятся: напряжения и токи в установившихся и переход­ных режимах и возникающие в связи с этим выделение тепла, обра­зование электрических магнитных полей, механические нагрузки.

В результате воздействия эксплуатационных факторов в элект­ронных приборах, устройствах и отдельных элементах протекают различные физико-химические процессы, меняющие их свойства и способствующие возникновению различного рода обратимых и необратимых изменений.

Обмен материала элемента с внешней средой за счет сорбции и десорбции при колебаниях температуры вызывает обратимые изме­нения. Необратимые изменения определяются главным образом протеканием химических реакций, изменением концентрации про­никающих примесей за счет диффузии, эрозией и износом мате­риала, а также локальными разрушениями и др. Накопление нео­братимых изменений в материалах приводит к постепенному изме­нению параметров элемента и в конечном счете к появлению постепенных или внезапных отказов.

Надежность электронных устройств в условиях эксплуатации в пассажирских вагонах отечественных железных дорог еще не дос­тигла требуемого проектного уровня. Не в полной мере удается также реализовать преимущества современной бесконтактной электронной аппаратуры.

УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. «Инструкция по обеспечению пожарной безопасности вагонов пассажирских поездов» ЦЛ/ЦУО-448, 1998 год.

2. «Основы пожарной безопасности в пассажирских поездах» - М., 2001г.

3. ППБ-01-03. «Правила пожарной безопасности в Российской Федерации». М.,2003.

4. «Устройство и эксплуатация пассажирских вагонов»- М., 1994г. В.П. Егоров.

Время: 6 часов.

22