№ 3 2019

Содержание

Периодический рецензируемый

научно-технический журнал

«Электроника и электрообору-

Электронные системы управления,

дование транспорта» является

диагностики, связи

коллективным членом Академии

электротехнических наук РФ.

Дебелов В.В., Ендачев Д.В., Каменев В.Ф., Козловский В.Н.

Учредитель и издатель - Научно-

Разработка и реализация электронной системы

производственное предприятие

управления нагревателем датчика кислорода автомобильного

двигателя внутреннего сгорания.

«Томилинский электронный

завод».

Журнал включен в перечень

Электроснабжение и электрооборудование

изданий, рекомендованных

ВАК для апробации кандидат-

Дураков Д.Н., Куштан М.И., Лобынцев В.В., Дожина Г.В.

ских и докторских диссертаций.

Исследование характеристик электромагнитных процессов

Свидетельство о регистрации СМИ

при аварийных отключениях фидеров контактной сети постоянного тока

ПИ №ФС 77-29963

в месте установки быстродействующих выключателей.

от 17 октября 2007 г.

Герман Л.А., Корнеев В.А., Субханвердиев К.С., Вязов Е.В., Жевлаков Д.А.

Главный редактор:

Рациональная схема поста секционирования тяговой сети

А.Г. Бабак, к.т.н.

переменного тока на разъединителях.

Редакционный совет:

Зарифьян А.А., Михайлов В.В., Мустафин А.Ш., Тептиков Н.Р.

М.П. Бадер, д.т.н., профессор

Моделирование теплового режима тягового электрооборудования

В.Я. Беспалов, д.т.н., профессор

электровозов при наличии регулируемой принудительной вентиляции.

А.С. Веденеев, д.ф.-м.н., доцент

Л.А. Герман, д.т.н., профессор

Косарев А.Б., Косарев Б.И.

Ю.М. Иньков, д.т.н., профессор

В.В. Калугин, д.т.н., доцент

Анализ работы высоковольтных линий автоблокировки и устройств связи

А.А. Ковалев, д.т.н.

магистральных железных дорог в грозовой период.

К.Л. Ковалев, д.т.н., доцент

В.Н. Козловский, д.т.н., доцент

Люминарская Е.С., Люминарский С.Е.

А.С. Космодамианский, д.т.н.,

Сопротивление стягивания одноточечного контакта .

профессор

А.И. Попов, д.т.н., профессор

Сорокин Д.А., Вольский С.И.

В.Т. Пенкин, д.т.н., доцент

Определение реактивных параметров трехфазного корректора

С.Т. Рембеза, д.ф.-м.н., профессор

коэффициента мощности.

В.И. Сарбаев, д.т.н., профессор

М.В. Шевлюгин, д.т.н., доцент

Андреев А.А.

В.Е. Ютт, д.т.н., профессор

Перспективные способы обнаружения однофазных коротких замыканий

Выпускающий редактор:

в сетях с изолированной нейтралью.

Н.А. Климчук

Редакция:

Электронные компоненты, датчики

140070, Московская область,

Люберецкий район, п. Томилино,

Бондаренко А.В., Сергеев Б.С., Сулейманов Р.Я.

ул. Гаршина, д. 11.

Тел./факс: (495) 500-40-20

Анализ процессов самовключения тиристорного ключа .

E-mail: npptez@mail.ru

Сайт: www.npptez.ru

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

Подписано в печать: 25.06.2019 г.

Коняев И.В., Владимирова Л.Н., Бормонтов Е.Н., Бородкин И.И.

Отпечатано:

ГУП МО «Коломенская типография».

Технологические особенности формирования рельефа на пластинах

140400, г. Коломна,

монокристаллического LiTaO3 в плазме на основе SF6.

ул. III Интернационала, д. 2а.

E-mail: bab40@yandex.ru

Корнилов Д.Ю.

Катодный материал состава LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 с покрытием

Формат 60х90/8,

из восстановленного оксида графена.

бумага мелованная, объем 7 п.л.,

тираж 1000 экз., заказ 677.

Электронные системы управления,

Диагностики, связи

№ 3 2019

Разработка и реализация электронной

системы управления нагревателем датчика

кислорода автомобильного двигателя

внутреннего сгорания

// Development and implementation of an electronic control system of the oxygen sensor

heater of an automotive internal combustion engine //

Дебелов В.В., к. т.н., Ендачев Д.В., к. т.н.,

выходного напряжения кислородного дат-

Каменев В.Ф., д. т.н., профессор,

чика от разницы содержания кислорода

НАМИ, Москва

в ОГ и атмосфере описывается формулой

Козловский В.Н., д. т.н., профессор,

(1)

СамГТУ, Самара

В представленной работе приводятся

This paper presents the results of the devel-

где R - универсальная газовая постоянная;

результаты разработки и реализации

opment and implementation of an elec-

F - постоянная Фарадея;

- парциаль-

электронной системы управления

tronic control system of the oxygen sensor

ное давление кислорода в атмосфере, Па;

нагревателем датчика кислорода ав-

heater of an automotive internal combus-

^ОГ - парциальное давление кислорода

томобильного двигателя внутреннего

tion engine.

в отработанных газах, Па; T - температура.

сгорания.

Keywords: electronic control system, auto-

Электрическая схема включения дат-

Ключевые слова: электронная система

mobile, internal combustion engine.

чика кислорода планарного типа в наи-

управления, автомобиль, двигатель

более общем случае оснащается четырех-

внутреннего сгорания.

контактным разъемом, содержащим цепь

измерения состава смеси (два контакта)

Одним из ключевых элементов систе-

разность потенциалов, что является сиг-

и цепь управления нагревателем датчика

мы нейтрализации вредных выбросов

налом датчика кислорода для электрон-

(два контакта) [3-5].

двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

ной системы управления двигателем. При

Датчик кислорода работает исключи-

автотранспортного средства (АТС) является

этом экспериментально выявлена граница,

тельно совместно со специальной схемой

датчик кислорода, работающий в связке

ниже которой работа датчика недосто-

управления, которая не только питает

с лямбда-зондом. Лямбда-зонд реагирует

верна и составляет порядка 300-450 °C

датчик напряжением от источника опор-

на изменение концентрации кислорода

в зависимости от конструкции датчика.

ного сигнала, но и управляет мощностью

внутри выпускного коллектора [1, 2]. Кон-

Реакции на богатые и бедные смеси

нагревательного элемента. Необходимый

центрация кислорода в выпускном кол-

различаются очень сильно, но при паде-

уровень тока накачки достигается за счет

лекторе во время работы двигателя вну-

нии температуры ниже 300 °C разница

схемы из резисторов подтяжки, которые

треннего сгорания и в окружающей среде

постепенно уменьшается - эта зона уже

подключены к источнику опорного сигна-

существенно отличается. Это приводит

нерабочая. Чем больше концентрация

ла постоянного напряжения. Пульсации

к движению ионов кислорода в твердом

кислорода в отработанных газах (ОГ), тем

тока накачки для измерения внутреннего

электролите, в результате чего на электро-

меньше выходное напряжение на кисло-

сопротивления датчика накладываются

дах чувствительного элемента появляется

родном датчике (рис. 1, 2). Зависимость

на референсный пульсирующий сигнал

Рис. 1. Зависимость выходного сигнала лямбда-зонда

Рис. 2. Зависимость выходного сигнала лямбда-зонда

от температуры: 1 - реакция на бедные смеси, λ>1;

от коэффициента избытка воздуха

2 - реакция на богатые смеси, λ<1

Электронные системы управления,

Диагностики, связи

№ 3 2019

самого датчика. Схема управления на-

В представленной схеме референс-

и сопротивлений составляет от 200

гревателем и измерения сигнала датчика

ный ток накачки поряда 20 мкА течет

до 250 Ом и от 760 до 800 °C (рис. 5).

приведена на рис. 3. На ней представлены

через делитель напряжения R1 и R2 по-

Номинальное внутреннее сопротив-

цепь накачки током и измерительная цепь

рядка 1,8 В и втекает через резисторы R3

ление чувствительного элемента по Нерн-

контроллера, а также схема управления

в порт микроконтроллера LSSS (Lambda

сту для нового датчика в режиме регули-

нагревательным элементом.

sensor signal source), который отвечает

рования мощности нагрева равняется

за ADC-преобразование сигнала с датчика.

RI, N = 200÷250 Ом.

В качестве фильтра используется RC-цепь,

Измерение внутреннего сопротив-

состоящая из резистора R5 и конденсато-

ления в электронном блоке управления

ра C2. Конденсатор C1 выполняет функцию

выполнялось посредством пульсации

входного фильтра. Резистор R4, подклю-

тока накачки, при котором значение тока

ченный к порту микроконтроллера LSSS,

пульсации I_pulse= 0,5 мА, длительность им-

обеспечивает пропускание тока порядка

пульса тока накачки t_pulse= 3 мс, с перио-

0,5 мА с целью измерения Ri датчика при

дичностью T = 500 мс (рис. 6).

пульсации тока.

Максимальная длительность пульсации

тока должна быть ограничена временным

Рис. 3. Схема управления нагревателем

Ток накачки для обратной связи

интервалом t_pulse от 3 до 10 мс при токе пуль-

лямбда-зондом и диагностики

по датчику кислорода Ip, ref

сации I_pulse= 0,5 мA. Выполняется накачка

Схема управления нагревателем

Наиболее распространенные значе-

током (помпирование) чувствительного

(рис. 3) рассчитывается на нагреватель-

ния электрических величин: напряже-

элемента путем приложения напряжения

ный элемент и допустимый максимальный

ние накачки Vp, ref = 1,8 В; референсный

на интервал времени t1-t2 = 3 мс. После

ток не более 6А, при этом учитывается

ток накачки Ip, ref = 20 мкА. На датчи-

этого в момент времени t2 происходит

внутреннее сопротивление нагревателя

ке при выходном диапазоне сигнала

снятие приложенного напряжения, что

датчика, которое приблизительно равня-

0,1-0,9 В выходной ток составляет Ip,

приводит к снижению импульса тока. По-

ется 4-8 Ом. Схема работает на частотах

ref = 15-30 мкА.

сле того как ток стабилизируется (пример-

порядка 10 Гц, при этом точность из-

Напряжение накачки Vp, ref может

но через 20 мс), разрешается повторный

менения скважности сигнала достигает

быть длительно приложено к датчику

запрос на измерение тока через датчик

1-2%. Схема измерения сигнала с датчика

с момента включения блока управления

кислорода. На практике ввиду инерцион-

и управления током накачки представ-

и до тех пор, пока сенсор недостаточно

ности процессов, протекающих в пластине

лена на рис. 4.

прогреется.

чувствительного элемента датчика, по-

Напряжение питания нагревательного

вторные измерения выполняются не чаще,

элемента датчика для поддержания его

чем с шагом в 100 мс.

в рабочем режиме температур должно

По измеренным значениям напряже-

управляться посредством электронного

ния находится сопротивление чувстви-

блока. Рабочая температура определяется

тельного элемента датчика, тогда как ток

посредством измерения температурного

имеет относительно постоянную величину

коэффициента сопротивления, который

и задается делителем напряжения в цепи

определяет внутреннее сопротивление

накачки датчика. Ток пульсации задается

элемента датчика по Нернсту R_{I, N}. Для

на уровне 0,5 мА. Формула для расчета

некоторых датчиков рекомендуемое зна-

сопротивления чувствительного элемента

Рис. 4. Схема измерения сигнала с датчика

чение рабочего диапазона температур

имеет следующий вид

и управления током накачки

Рис. 5. Внутреннее сопротивление датчика R_{I, N}

Рис. 6. Кривая к методике измерения сопротивления R_{I, N}

в зависимости от температуры керамического элемента

чувствительного элемента

cecamic, где 1 - границы рабочего режима регулирования

температуры по сопротивлению

Электронные системы управления,

Диагностики, связи

№ 3 2019

(2)

Сопротивление нагревательного эле-

мента в холодном состоянии при комнат-

ной температуре 20°C для нового датчика

с учетом кабеля подключения и разъемов

составляет R = 3 Ома.

Минимальное сопротивление нагре-

вательного элемента при наиболее низ-

ких температурах (порядка -50…-40°C)

с учетом кабеля подключения и разъемов

составляет R = 2 Ома [6, 7].

Стратегия нагрева

чувствительного элемента

датчика

Рис. 7. Диаграмма прогрева чувствительного элемента датчика

При нагреве чувствительного эле-

мента датчика кислорода обязательным

напряжения в заданном диапазоне, а про-

менного малотоксичного дизеля для транс-

условием является ограничение тока на-

порциональная часть демпфирует воз-

портно-технологических средств и сельхоз-

грева через ограничение эффективного

никающие отклонения от допустимых

машин // Тракторы и сельхозмашины, 2016,

действующего значения напряжения, ко-

значений.

№ 1. - С. 3-8.

торое прикладывается в виде импульсов

Диаграмма, которая поясняет процесс

3. Дебелов В.В., Козловский В.Н., Пьянов М.А.,

ШИМ к нагревателю.

прогрева датчика и вывод его в режим

Строганов В.И. Моделирование и разработ-

Это связано с тем, что в начальный

регулирования, представлена на рис. 7.

ка электротехнического комплекса управ-

момент времени на самом чувстви-

Пунктиром показан другой способ про-

ления автомобилем в режимах Start/Stop //

тельном элементе может скапливаться

грева, который плавно разогревает датчик

Грузовик, 2015, № 5. - С. 15-20.

конденсат, а включение нагревателя

до установленного значения температуры,

4. Козловский В.Н., Дебелов В.В. Электротех-

на полную мощность может привести

соответствующего определенному со-

нический комплекс управления двигателем

к разрушению структуры самого чув-

противлению (чаще это значение от 180

легкового автомобиля. Монография. Самара,

ствительного элемента. Таким образом,

до 230 Ом).

2015. - 160 с.

для того чтобы испарить влагу, которая

5. Дебелов В.В., Козловский В.Н., Пьянов М.А.,

сконденсирована внутри датчика, на-

Выводы

Строганов В.И. Концепция создания элек-

пряжение ограничивается минимальным

••

При низких температурах ис-

тротехнической и электронной системы

значением.

пользование датчика особенно

управления Start/Stop легкового автомоби-

На следующем этапе необходимо

актуально, так как он позволяет

ля // Электроника и электрооборудование

прогреть датчик и вывести его на рабо-

быстро попасть в окно бифунк-

транспорта, 2015, № 1. - С. 2-6.

чий режим. При этом также происходит

циональности при регулирова-

6. Ерохов В.И. Особенности кислородного

ограничение уставки действующего

нии состава смеси.

датчика системы управления транспортных

напряжения. Значение выбирается та-

••

Правильная стратегия прогрева

двигателей // Транспорт на альтернативном

ким образом, что в случае длительного

обеспечивает сохранение чув-

топливе, 2013, № 6 (36). - С. 17-26.

протекания тока в нагревателе он бу-

ствительного элемента и препят-

7. Ерохов В.И. Системы впрыска бензиновых

дет максимально разогрет, но при этом

ствует его разрушению.

двигателей (конструкция, расчет, диагности-

не произойдет разрушения структуры

••

Предложенный метод измере-

ка). Учебник для вузов. - М.: Горячая линия,

чувствительного элемента.

ния сопротивления и его тех-

2011. - 567 c.

После достижения сопротивления

ническая реализация являются

8. Соломатин Н.С. Испытания узлов, агрега-

установленного или рекомендованного

наиболее эффективными.

тов и систем автомобиля. Монография, То-

значения, при котором датчик максималь-

••

Предложенная электронная схе-

льятти, 2013. - 220 с.

но эффективно работает и обладает наи-

ма управления позволяет приме-

9. Ютт В.Е. Электрооборудование автомоби-

большей чувствительностью, происходит

нять датчики планарного типа.

лей. Учебник для студентов автомобильных

плавный переход в режим регулирования,

специальностей высших учебных заведе-

когда поддерживается значение сопро-

Литература

ний // Москва, 2009. Сер. Учебник для высших

тивления датчика в установленном диа-

1. Каменев В.Ф., Пугачев И.О. Отечественные

учебных заведений. Специальность (4-е изд.,

пазоне [8-10].

системы управления дизельными двигателя-

перераб. и доп.).

В режиме регулирования сопротивле-

ми с топливной аппаратурой аккумуляторно-

10. Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифо-

ния используется ПИД-регулятор, а ввиду

го типа и комплексной антитоксичной систе-

нов В.В. Гибридные автомобили - столбовая

отсутствия быстро изменяющихся про-

мой // Транспорт на альтернативном топливе,

дорога к экономичному и экологически чи-

цессов Д-часть не используется. Таким

2016, № 1 (49). - С. 56-62.

стому транспорту // Журнал автомобильных

образом, интегральная часть осущест-

2. Каменев В.Ф., Щеглов П.А. Принципы по-

инженеров, 2007, № 3 (44). - С. 38-45.

вляет удержание значения эффективного

строения математической модели совре-

Электронные системы управления,

Диагностики, связи

№ 3 2019

Дебелов Владимир Валентинович

РФ, членом Российской ассоциации автомо-

sciences. In 2016 he defended the dissertation

Родился в 1989 году. В 2012 году окончил

бильных инженеров, экспертом России в КВТ

with topic Forecasting the characteristics of the

Тольяттинский государственный универси-

ЕЭК ООН по проблемам экологической без-

curvilinear motion of an unmanned automatic

тет (ТГУ) по специальности «Промышленная

опасности, членом SAE. Имеет около 120 пу-

telephone exchange. He has 12 years of work

электроника». Кандидат технических наук.

бликаций в рецензируемых журналах, более

experience. At present he works as manager of

В 2016 году защитил диссертацию по теме

25 патентов на изобретения в России, США,

information and intellectual systems of SSC RF

«Моделирование электротехнических систем

Германии, Японии.

FSUE NAMI. He has 25 publications, 2 patents.

управления двигателем легкового автомоби-

ля». Опыт работы - 6 лет. В настоящее время

Козловский Владимир Николаевич

Kamenev Vladimir

работает ведущим инженером-конструкто-

Инженер по специальности

«Электро-

He was born in 1941. In 1967 he graduated from

ром ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». Имеет 27 публи-

оборудование автомобилей и тракторов».

the Moscow Automechanical Institute with a de-

каций.

В 1999 году окончил Тольяттинский политех-

gree in mechanical Engineering. Doctor of tech-

нический институт. Доктор технических наук.

nical Sciences, professor. He defended his thesis

Ендачев Денис Владимирович

В 2010 году защитил докторскую диссерта-

on Scientific basis and ways to improve the toxic

Родился в 1983 году. В 2007 году окончил МГТУ

цию на тему «Обеспечение качества и надеж-

characteristics of automotive engines with spark

им. Баумана по специальности «Инженер-

ности системы электрооборудования автомо-

ignition. Experience - 52 years. Currently he is a

программист». Кандидат технических наук.

билей». Автор более 150 научных работ, в том

leading expert of the Expert Council of SSC RF

В 2016 году защитил диссертацию по теме

числе 10 монографий. В настоящее время

FSUE NAMI, a full member of the Academy of

«Прогнозирование характеристик криволи-

работает заведующим кафедрой «Теорети-

quality problems of the Russian Federation, a

нейного движения беспилотного АТС». Опыт

ческая и общая электротехника» Самарского

member of the Russian Association of automo-

работы - 12 лет. В настоящее время работает

государственного технического университе-

tive engineers, an expert of Russia in the UNECE

директором Центра информационных и ин-

та (СамГТУ).

ITC on environmental safety, a member of SAE.

теллектуальных систем ФГУП «НАМИ». Имеет

He has about 120 publications in peer-reviewed

около 25 публикаций, 2 патента.

Debelov Vladimir

journals, more than 25 patents for inventions in

Was born in 1989. In 2012 he graduated from

Russia, USA, Germany and Japan.

Каменев Владимир Федорович

Tolyatty State University with specialization in

Родился в 1941 году. В 1967 году окончил Мо-

Industrial electronics. Candidate of technical sci-

Kozlovsky Vladimir

сковский автомеханический институт по спе-

ences. In 2016 he defended his thesis on Mod-

Is anengineer, specialization is Car and tractor

циальности

«Инженер-механик». Доктор

eling of electrical control systems of the car en-

electric equipment. In 1999 he graduated from

технических наук, профессор. Защитил дис-

gine. Experience 6 years. Currently he works as a

Tolyatty Polytechnic Institute. Doctor of engi-

сертацию по теме «Научные основы и пути

leading design engineer of SSC RF FSUE NAMI.

neering. In 2010 he defended a Dphil in the sub-

совершенствования токсических характери-

He has 27 publications.

ject Quality and safety assurance of car electric

стик автомобильных двигателей с искровым

equipment system. He is an author of more than

зажиганием». Опыт работы - 52 года. В на-

Endachev Denis

150 scientific works, including 10 monographs.

стоящее время является ведущим экспертом

Was born in 1983. In 2007 he graduated from

At present he works as department chairman

Экспертного совета ФГУП «НАМИ», действи-

Moscow State Technical University majoring in

Theoretic and general electrotechnics at the

тельным членом Академии проблем качества

Software engineer. He is candidate of technical

Samara State Technical University (SamGTU).

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Исследование характеристик

электромагнитных процессов при аварийных

отключениях фидеров контактной сети

постоянного тока в месте установки

быстродействующих выключателей

// Investigation of the electromagnetic process characteristics at fault switch off feeders

of the overhead DC contact lines in the location rapid circuit breakers of installed //

Дураков Д.Н., Куштан М.И.,

воспроизведения процессов изменения

НИЦ «Курчатовский институт», Москва

тока в местах установки выключателей

при известных параметрах тяговой сети.

Лобынцев В.В., к. т.н., Дожина Г.В.,

Представления о том, что быстро-

Российский университет транспорта (МИИТ), Москва

действующие выключатели реагируют

Количественная оценка различных

Quantitative estimation of different modes

только на величину тока и скорость его

режимов, протекающих в сложных

occurring in electrical complexes and sys-

нарастания, неверны, потому как одина-

электротехнических комплексах и си-

tems, sometimes causing significant difficul-

ковой начальной скорости нарастания

стемах, иногда вызывает значительные

ties in the absence of correct initial data and

тока могут соответствовать совершенно

затруднения в отсутствие корректных

ways to gain the calculation type of task.

разные картины его изменения. Верным

исходных данных и способов приведения

The article attempts to develop an analyti-

является положение, согласно которому

поставленной задачи к расчетному

cal model in providing the ability to perform

срабатывание или несрабатывание вы-

виду. В статье предпринята попытка

engineering calculations as in the training

ключателя определяется характеристи-

разработки аналитической модели

and operation of traction substation equip-

ками его защитного устройства (рис. 1),

в обеспечение возможности выполнения

ment and other systems of the DC traction

реагирующего на постоянную времени

инженерных расчетов в процессе об-

power supply, such as onboard. Theoretical

изменения тока, величину изменения тока

учения или эксплуатации оборудования

calculations are supported by computa-

(скачок тока) и величину тока, предше-

тяговых подстанций, а также иных

tional examples to understand the essence

ствовавшую его изменению [1].

систем электроснабжения постоянного

of the issue.

Многочисленные эксперименты, про-

тока, например бортовых. Теоретиче-

Keywords: inductance, suspension cable,

веденные на Московской железной до-

ские выкладки подкреплены расчетными

contact wire, track circuit, partitioning

роге В.Н. Пупыниным и М.И. Векслером

примерами, позволяющими разобраться

point, rapid circuit breaker, overhead con-

в 60-е годы прошлого века, показали

в существе рассматриваемого вопроса.

tact line feeder.

Ключевые слова: индуктивность,

несущий трос, контактный провод,

рельсовая цепь, пост секционирования,

быстродействующий выключатель,

фидер контактной сети.

Рассмотрены процессы изменения

тока в местах установки выключателей

фидеров, происходящие при нормаль-

ных и аварийных режимах в контактной

сети электрифицированных железных

дорог постоянного тока. Выключатели

фидеров должны быть отстроены от про-

цессов изменения тока при нормальных

режимах и настроены на срабатывание

при всех изменениях токов при аварий-

ных режимах. Реакция на изменение тока

фидера у каждого типа выключателей

индивидуальная, определяется его кон-

структивными особенностями и параме-

трами защитного устройства. Поэтому

Рис. 1. Семейство характеристик срабатывания реле дифференциального

для проверки и настройки включателей

шунта (РДШ), где в относительных единицах по оси абсцисс и по оси ординат,

возникает необходимость натурного

соответственно, отложены статическая и динамическая уставки

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

хорошую сходимость осциллограмм

индуктивного сопротивления равно

при расстоянии между проводами и сред-

кривых нарастания тока, снятых при ко-

ней линией провеса троса a = a_{т-к, к}= 1,5 м

т = 0,8208 Ом/км.

ротких замыканиях, с теоретическими

Индуктивное сопротивление х_{1п, 2п}

составляет х_{т-к, к}= 0,7005 Ом/км (рис. 2).

временными зависимостями, получен-

двух параллельно включенных прово-

Учитывая токораспределение между

ными из условия, что нарастание тока

дников первого (1п) и второго (2п) путей

несущим тросом и двумя контактными

происходит по экспоненте с постоянной

с собственными индуктивными сопро-

проводами, индуктивное сопротивление

времени, определяемой омическим со-

тивлениями х1п и х_2п и взаимным индук-

п контактной подвески с формулой М-120

противлением и индуктивностью контура

тивным сопротивлением х_1п-2п может быть

+ 2МФ-100 определено с использованием

короткого замыкания. Омическое сопро-

определено по формуле, учитывающей

выражения

тивление контура короткого замыкания

токораспределение между проводами

−x

)(x

−x

)

к,п

т−к,к

(6)

включает в себя сопротивление контакт-

т−к,к

1п

−x

1п−2п

)(x

2п

−

1п−2п

)

−x

)+(x

−x

)

к,к

т−к,к

ной сети, рельсовой цепи и эквивалентное

1п, 2п

1п−2п

. (4)

−x

)+(x

−x

)

1п

1п−2п

2п

1п−2п

сопротивление тяговой подстанции, опре-

и составило х_п = 0,765 Ом/км.

деляемое линейной частью ее внешней

Применительно к двум параллельно

Аналогичным образом рассчитыва-

характеристики. Индуктивность контура

включенным контактным проводам, при

ется собственное индуктивное сопро-

короткого замыкания включает в себя

равном токораспределении из (4) получим

тивление рельсов одного пути х_{р, р} с ис-

индуктивность первичной питающей

−x

к−к

пользованием формулы для одиночного

(5)

к, к

сети, понижающих и преобразователь-

рельса (2), в которой вместо R_р подстав-

ных трансформаторов подстанции, ее

где х_к-к= х_м = 0,6912 Ом/км - взаимное со-

ляются параметры эквивалентного рель-

сглаживающего устройства, а также вза-

противление между контактными прово-

са, равные

⋅а

, при a_р-р= 1,52 м [2].

р−р

имоиндуктивно связанных контактной

дами при расстоянии между ними 0,06 м,

В результате х_{р, р}= 0,6365 Ом/км.

сети и рельсовой цепи.

определенное по формуле (3).

Эквивалентное индуктивное сопро-

Значения индуктивности отдельных

Численное значение х_{к, к}= 0,7634 Ом/км

тивление рельсов обоих путей двух-

элементов тяговой сети могут быть най-

получено при подстановке в выражение

путного участка хр, р, р, р может быть

дены по формулам Поллячека [2] исходя

(5) рассчитанных выше х_к и х_к-к. При этом

определено при подстановке в выра-

из значений индуктивных сопротивлений

взаимное сопротивление между несущим

жение (2) вместо RР эквивалентного

элементов тяговой сети при частоте 30-

тросом подвески и контактными прово-

радиуса, определяемого формулой

50 Гц. Однако разница в индуктивностях

дами х

⋅ а

, при aI-II - расстоянии

т-к, к, определенное по формуле (3),

р−р

I-II

элементов тяговой сети, определенных

между путями, равном 4,1 м. В ре-

в диапазоне указанных частот, невелика

зультате х_{р, р, р, р}= 0,546 Ом/км.

и составляет не более 3%.

Полное индуктивное сопро-

В соответствии с [3] собственное ин-

тивление тяговой сети однопут-

дуктивное сопротивление контактного

ного участка с формулой контакт-

провода или несущего троса радиуса R

ной подвески М-120 + 2МФ-100

над землей c проводимостью γ_З:

при рельсах Р-65 может быть

рассчитано с использованием

х = j0,144

(

2,08−lg

(

)

(1)

следующего выражения

Собственное индуктивное сопротив-

х_I = хп + хр, р - 2х_{п-р, р,}

ление рельса:

где х_{п-р, р} - взаимоиндуктивное

= j0,144

(

1,97 + 5,2 r

ра

−lg

(

)

(2)

сопротивление между подвеской

где, согласно [2], r_pa -активное сопротив-

и рельсами пути, определяемое

ление рельса, принимаемое равным 7r_p;

по формуле (3) при расстоянии

a, равном расстоянию между го-

rp - омическое сопротивление рельса типа

Р-65, равное 0,0310 Ом/км; R_р - эквива-

ловками рельсов и точкой разме-

лентный радиус рельса, равный 0,111 м.

щения провода эквивалентного

Взаимное индуктивное сопротивление

подвески (ПЭП) a_р-ПЭП = 6,72 м

двух проводников или эквивалентных

(рис. 2).

проводников систем, находящихся друг

С использованием формулы

от друга на расстоянии a:

(3) и подстановкой в нее a_р-ПЭП =

6,72 м получаем численное зна-

= j0,144

(

1,97−lg

(

)

(3)

чение х_м = х_{п-р, р} = 0,381 Ом/км.

Используя формулу (1) и принимая

Следовательно, согласно форму-

среднюю проводимость земли 10^-3 сим/м,

ле (7), х_I = 0,6395 Ом/км.

при радиусе контактного провода МФ-100

Аналогичным образом опре-

R_к = 0,006 м значение его собственного

делим индуктивное сопротив-

индуктивного сопротивления равно

ление тяговой сети двухпутного

х_к = 0,8352 Ом/км. Аналогичным обра-

Рис. 2. Габаритные размеры тяговой сети

участка

зом при радиусе несущего троса М-120

постоянного тока, принятые при расчетах

хII = хп + хрр, р, р, - 2х_{п-р, р, р, р,}

R_т

= 0,0075 м значение его собственного

индуктивностей

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

где х_{п-р, р, р, р} - взаимоиндуктивное сопро-

Таблица 1. Индуктивности тяговой сети постоянного тока для наиболее часто

тивление между подвеской и рельсами

используемых вариантов наборов проводов контактной сети

обоих путей, определяемое по формуле

Обо-

Величина

(3), при расстоянии a, равном расстоянию

№

Характеристика участка тяговой сети,

значе-

индуктивности,

между точкой размещения эквивалент-

п/п

для которого определялась индуктивность

ние

мГн/км

ного рельса двух путей ЭР2 и точкой раз-

Индуктивность однопутного участка тяговой сети при подве-

L₁

2,04

мещения ПЭП a ЭР2-ПЭП = 7,0 м.

ске М-120 + 2МФ-100 и рельсах Р-65

С использованием формулы (3) и под-

Индуктивность одного пути двухпутного участка тяговой сети

L₁₁

1,86

при подвеске М-120 + 2МФ-100 и рельсах Р-65

становкой в нее aЭР2-ПЭП = 7,0 м получа-

Индуктивность однопутного участка тяговой сети при подве-

ем численное значение х_м = х_{п-р, р, р, р} =

ске М-120 + 2МФ-100 с усиливающим проводом А-150 и рель-

L_1у

1,54

0,378 Ом/км. Следовательно, согласно

сах Р-65

формуле (8), х_II = 0,585 Ом/км.

Индуктивность одного пути двухпутного участка тяговой сети

L_11у

1,31

Расчет собственного индуктивного

при подвеске М-120 + 2МФ-100 + А-150 и рельсах Р-65

сопротивления контактной подвески

Индуктивность двухпутного участка тяговой сети при полном

параллельном соединении контактных сетей путей с подве-

L_11,11

1,19

с усиливающим проводом А-150 начи-

сками М-120 + 2МФ-100 и рельсах Р-65

нается с определения по формуле (1)

Индуктивность двухпутного участка тяговой сети при полном

собственного индуктивного сопротив-

параллельном соединении контактных сетей путей с подве-

L_11у,11у

0,91

ления усиливающего провода, которое

сками М-120 + 2МФ-100 + А-150 и рельсах Р-65

при радиусе провода R = 0,008 м состав-

ляет х_у= 0,8174 Ом/км. Далее с учетом

определялись при условной частоте 50 Гц,

короткого замыкания u_к,% определяется

токораспределения между усиливаю-

индуктивности L определены по индук-

по формуле

щим проводом и подвеской по формуле,

тивным сопротивлениям с использова-

3⋅E

⋅ u

%⋅10

аналогичной (6), находим эквивалентное

нием соотношения L = x/314 и сведены

(10)

ПТ

314⋅S

⋅100⋅N

собственное сопротивление такой под-

в таблицу 1.

ПТ

вески х_{у, п}. С учетом взаимоиндуктивного

Электрическая схема тяговой под-

Внутреннее сопротивление тяговой

сопротивления между усиливающим про-

станции показана на рис. 3а; схема за-

подстанции ρ определяется по формуле

водом и подвеской, зависящего от рассто-

мещения, эквивалентная электрической

U_d



% S



ПТ

яния aу-ПЭП = 4,6 м, между усиливающим

схеме, - на рис. 3б.

⋅

A⋅

, (11)





ном

100⋅

ПТ



проводом У и точкой размещения ПЭП -

Подлежат определению:

••

индуктивность системы L_c, вклю-

где U_d0 - напряжение холостого хода

ху, п = 0,6092 Ом/км. Следует отметить, что

провод, эквивалентный подвеске с усили-

чающая индуктивность первичной пи-

на выходе преобразовательных агрегатов,

вающим проводом, располагается в точке

тающей сети и понизительных транс-

кВ; I_ном - номинальный выходной посто-

ПЭП + У (рис. 2).

форматоров подстанции, если таковые

янный ток одного преобразователя, кА;

Предложенный алгоритм расчета при

имеются;

u_к%, S_пт, Sк и N_пт - аналогично описанию

помощи структурно одинаковых формул,

••

индуктивность преобразователь-

формулы (10); А - коэффициент наклона

представленных выше, позволяет опре-

ных трансформаторов L_пт;

внешней характеристики преобразовате-

делить полное сопротивление тяговой

••

индуктивность L_р и омическое со-

лей. При нулевой и мостовой шестипуль-

сети однопутного участка х_Iу с формулой

противление R_р реакторов сглаживаю-

совых схемах преобразователей А = 0,5,

контактной подвески М-120 + 2МФ-100 +

щего устройства тяговой подстанции;

при двенадцатипульсовой последова-

А-150 тяговой сети одного пути с такой же

••

внутреннее сопротивление тяго-

тельной схеме - А = 0,26.

подвеской на двухпутном участке х_I1у, а так-

вой подстанции.

же тяговой сети на двухпутном участке

Индуктивность систе-

при параллельно соединенных подвесках

мы L_c определяется по ве-

без усиливающих проводов х_II,11, с уси-

личине мощности корот-

ливающими проводами х_I1у,11у и других.

кого замыкания на первич-

Для указанных сопротивлений полу-

ной стороне преобразова-

чены следующие численные значения:

тельных трансформаторов

хIу = 0,4837 Ом/км; х_I1у =0,4112 Ом/км;

к, МВА по формуле

хII,11 = 0,372 Ом/км; хI1у, I1у, = 0,2869 Ом/км.

3⋅E

Индуктивности тяговой сети посто-

⋅10

(9)

314⋅S

янного тока найдем по величинам ин-

дуктивных сопротивлений тяговой сети,

где Е² - фазное напряже-

определенным выше, для наиболее часто

ние вторичной обмотки

используемых вариантов наборов про-

преобразовательного

водов контактной сети (М-120 + 2МФ-100

трансформатора, кВ.

и М-120 + 2МФ-100 + А-150) при различ-

Индуктивность L_пт

ных схемах питания места короткого за-

преобразовательных

мыкания на однопутных и двухпутных

трансформаторов числом

участках электрических железных дорог.

N_пт, мощностью Sпт каж-

Рис. 3. Схема тяговой подстанции:

Поскольку индуктивные сопротивления

дый, МВА с напряжением

а) электрическая; б) расчетная

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Таблица 2. Значения омических сопротивлений контактных и рельсовых сетей

требующее ненаправленности действия

однопутных и двухпутных участков электрической железной дороги

установленных на нем выключателей БВ

и соответствующей реакции на отключе-

Сопротивление

№

Характеристика элемента тяговой сети

элемента тяговой

ния от броска тока к.з.

п/п

сети, Ом/км

Рассмотрим пример использования

Основные элементы тяговой сети

полученных выше результатов для опре-

а) Несущий трос М-120

0,158

деления параметров аварийного режима

б) Контактный провод МФ-100

0,179

короткого замыкания через выключатель

в) Усиливающий провод А-150

0,21

БВ2 по току при следующих условиях:

г) Усиливающий провод А-185

0,17

••

рассматривается случай к.з. в точ-

д) Рельс Р-65

0,0254

ке К₂,при этом контактная сеть между

Контактные сети

ТП1 и ПС по первому пути обесточена;

а) Подвеска М-120 + 2МФ-100

0,0571

••

расстояние от ТП1 до ПС составляет

б) Подвеска М-120 + 2МФ-100 + А-150

0,0449

9 км;

в) Две подвески М-120 + 2МФ-100 на путях двухпутного участка,

0,0286

••

контактная сеть на участке выпол-

соединенные параллельно

нена по п. 2а, а рельсовая сеть по п. 3б

г) Две подвески М-120 + 2МФ-100 + А-150 на путях двухпутного

0,0225

участка, соединенные параллельно

(таблица 2);

Рельсовые сети

••

мощность трехфазного короткого

а) Одного пути с рельсами Р-65

0,0155

замыкания на шинах первичного напря-

б) Двух путей с рельсами Р-65 двухпутного участка, соединенные

жения преобразовательных трансфор-

0,0077

параллельно

маторов Sк составляет 320 МВА;

Тяговые сети

••

количество преобразовательных

а) Однопутного участка с контактной сетью по п. 2а и рельсовой

0,0726

агрегатов, собранных по мостовой схе-

сетью по п. 3а

ме, равно N_пт = 2;

б) Однопутного участка с контактной сетью по п. 2б и рельсовой

0,0604

сетью по п. 3а

••

преобразовательные трансфор-

в) Двухпутного участка с контактной сетью по п. 2в и рельсовой

маторы подстанции типа ТДП-12500/10

0,0363

сетью по п. 3б

ЖУ1 имеют номинальную мощность

г) Двухпутного участка с контактной сетью по п. 2г и рельсовой

11,8 МВА и u_к%,= 7%;

0,0648

сетью по п. 3б

••

реакторы сглаживающего устрой-

д) Двухпутного участка при обесточенной контактной сети по од-

0,0526

ства тяговой подстанции включены

ному из путей и при контактной сети по п. 2а на действующем пути

по параллельной схеме и имеют сум-

Индуктивность L_р и омическое сопро-

••

к.з. в точке К₄ на землю в РУ-3,3 кВ,

марную индуктивность L_р = 7 мГн и оми-

тивление R_р реакторов сглаживающего

требующее ненаправленности действия

ческое сопротивление Rр = 0,008 Ом.

устройства тяговой подстанции опреде-

БВ2 при расчетных параметрах к.з.;

С использованием выражения (11)

ляются по исполненной схеме конкретной

••

к.з. в точке К₅ на землю сборной

определяем омические сопротивления

подстанции, каталожным данным на реак-

шины поста секционирования, также

цепи к. з. и внутреннее сопротивление

торы и схемы их включения, изложенным

в таблице 19.54 на стр. 91 в [6].

Значения омических сопротивлений

контактных и рельсовых сетей однопутных

и двухпутных участков электрической

железной дороги приведены в таблице 2:

Рассмотрим схему типового двухпут-

ного участка ж.д. постоянного тока 3,3 кВ,

представленную на рис. 4, для проведе-

ния аналитических расчетов. Аварийны-

ми режимами работы системы тягового

электроснабжения для фидерного вы-

ключателя БВ2 являются:

••

близкое к.з. в точке К₁, требующее

использования максимальной отключа-

ющей способности выключателя;

••

удаленное к.з. в точке К₂ вблизи

поста секционирования, требующее

максимальной реакции выключателя

на бросок тока к.з. при его нарастании;

••

удаленное к.з. в точке К₃ за постом

секционирования, требующее отстрой-

Рис. 4. Схема типового двухпутного участка ж.д. постоянного тока 3,3кВ (а),

ки выключателя от броска тока к.з. при

кривая нарастания тока через выключатель БВ2 при коротком замыкании в точке К₂

его нарастании;

и отключенном соседнем пути (б)

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

тяговой подстанции ρ = 0,042 Ом. Сум-

дорог постоянного тока, так и для студен-

20 лет. В настоящее время работает доцентом

мируя его с сопротивлением сглажива-

тов транспортных вузов.

кафедры

«Электроэнергетика транспорта»

ющих реакторов тяговой подстанции

РУТ (МИИТ). Имеет 40 научных публикаций,

Rр = 0,008 Ом и сопротивлением 9 км

Литература

2 патента на изобретение, 1 свидетельство

тяговой сети по п. 4д (таблица 2), равным

1. Пупынин В.Н. Полная теория работы и харак-

о регистрации программы для ЭВМ.

9·0,0648 = 0,5832 Ом, определяем сум-

теристики параллельных индуктивных шунтов

марное омическое сопротивление цепи

быстродействующих выключателей типа ВАБ-2,

Дожина Галина Владимировна

короткого замыкания: RΣ = 0,042 + 0,008 +

АБ-2/4 и реле-дифференциальных шунтов вы-

Родилась в 1974 году. В 1996 году окончила

0,5832 = 0,6332 Ом.

ключателей ВАБ-28 // Труды МИИТ, 1965, вып.

Московский институт инженеров железно-

Используя формулу (9), по приведен-

213. - С. 61-85.

дорожного транспорта (МИИТ) по специаль-

ным выше данным определим индуктив-

2. Pollaczec P., Uber das Feld einer unendlick

ности

«Электроснабжение электрических

ность питающей системы L_c = 0,069 мГн,

landen wechselstromdurch- flossen Einfachlei-

железных дорог». Опыт работы - 23 года.

а по формуле (10) - L_пт = 0,065 мГн. Сум-

tung // Elecktrischt Nachrichtentechnik, 1925.

В настоящее время работает старшим пре-

мируя их с индуктивностью реакторов

Bd. 3. H. 9 S/339-359.

подавателем кафедры

«Электроэнергетика

тяговой подстанции L_р = 7 мГн и индуктив-

3. Марквардт К. Г. Энергоснабжение элек-

транспорта» РУТ (МИИТ). Имеет 7 научных

ностью тяговой сети протяженностью 9 км

трических железных дорог // М.: Транспорт,

публикаций.

по п. 2 таблицы 1, равной 9·L ₁₁ = 9·1,86 =

1965. - 462 с.

16,74 мГн, определим суммарную индук-

4. Радченко В. Д., Соколов С. Д., Сухопруд-

Durakov Dmitry

тивность цепи к.з.: L_Σ = 23,874 мГн.

ский Н.Д. Перенапряжения и токи короткого

He was born in 1989. In 2012 he graduated from

Поделив суммарную индуктивность

замыкания в устройствах электрифицирован-

the Moscow State University of Transport (MIIT)

цепи к.з. на ее суммарное омическое со-

ных железных дорог постоянного тока // М.:

majoring in Electrical power supply of electric

противление, найдем постоянную време-

Транспорт, 1965. - 304 с.

railways. He has 7 years of work experience. At

ни нарастания тока короткого замыкания

5. Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пупынин В.Н., Ша-

present he works as research engineer at the

τ, выраженную в миллисекундах, которая

лимов М.Г. Тяговые подстанции / Учебник для

National research center Kurchatov Institute. He

составляет τ = L_Σ / R_Σ = 23,874 / 0,6332 =

вузов ж.д. транспорта // М.: Транспорт, 1986. -

has 5 scientific publications.

37,7 мс.

340 с.

Величина установившегося тока

6. Справочник по электроснабжению желез-

Kushtan Maksimilian

в цепи к. з. определится как U_d0/R_Σ =

ных дорог. Т. 2 / Под редакцией К. Г. Марквард-

Was born in 1993. Has 3 years of working experi-

3540/0,6332 = 5590 А, то есть при коротком

та // М.: Транспорт, 1981. - 384 с.

ence. At present he is a mechanic of experimen-

замыкании в точке К₂ происходит скачок

tal stands of NRC “Kurchatov Institute” and a

тока величиной ΔI = 5590 А, нарастающий

Дураков Дмитрий Николаевич

student at Russian University of Transport (MIIT).

с постоянной времени τ = 37,7 мс (рис. 4б).

Родился в 1989 году. В 2012 году окончил

Московский государственный университет

Lobyntsev Vladimir

Выводы

путей сообщения (МИИТ) по специальности

He was born in 1980. In 2003 he graduated from

Представленная методология расчета

«Электроснабжение электрических желез-

the Moscow State University of Transport (MIIT)

токов короткого замыкания при различ-

ных дорог». Опыт работы - 7 лет. В настоящее

majoring in Electrical power supply of electric

ных типах контактной подвески и коли-

время работает инженером-исследователем

railways. He is candidate of technical sciences.

честве путей позволяет с высокой долей

в НИЦ «Курчатовский институт». Имеет 5 на-

In 2009 he defended his thesis on Supercon-

сходимости проводить количественную

учных публикаций.

ductive fault current limiters for traction energy

оценку характеристик электромагнитных

systems. He has more than 20 years of work

процессов при аварийных отключениях

Куштан Максимилиан Игоревич

experience. At present he works as associate

фидеров контактной сети постоянного

Родился в 1993 году. Опыт работы - 3 года.

Professor in Electric power of transport depart-

тока в месте установки быстродейству-

В настоящее время работает механиком экс-

ment at Russian University of Transport (MIIT).

ющих выключателей. Также немалый

периментальных стендов НИЦ «Курчатовский

He has 40 scientific publications, 2 patents for

интерес представляет универсальная

институт» и является студентом РУТ (МИИТ).

invention, 1 certificate of registration for soft-

методика расчета физических параме-

ware application.

тров системы тягового электроснабжения,

Лобынцев Владимир Васильевич

за тем лишь исключением, что на пере-

Родился в 1980 году. В 2003 году окончил

Dozhina Galina

менном синусоидальном токе необходимо

Московский государственный университет

She was born in 1974. In 1996 she graduated

учитывать вклад поверхностного эффекта

путей сообщения

(МИИТ) по специально-

from Moscow State University of Railway En-

в снижение проводимости контактной

сти «Электроснабжение электрических же-

gineering (MIIT) with specialization in “Power

сети и рельсовой цепи. Неоценима и прак-

лезных дорог». Кандидат технических наук.

supply of electrical railway roads”. Her working

тическая ценность сделанных теоретиче-

В 2009 году защитил диссертацию по теме

experience is 23 years. At present she works as

ских выкладок, дополненных расчетными

«Сверхпроводниковые ограничители токов

senior teacher in Electric power of transport

примерами, как для эксплуатационного

короткого замыкания для систем тягового

department at Russian University of Transport

персонала сети магистральных железных

электроснабжения». Опыт работы - более

(MIIT). She has 7 scientific publications.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Рациональная схема поста

секционирования тяговой сети

переменного тока на разъединителях

// Rational arrangement of circuit-breaker based feeder pillar

of alternating current traction power network //

Герман Л.А., д. т.н., профессор,

в любой точке межподстанцинной зоны

филиал СамГУПС, Нижний Новгород

отключаются выключатели присоедине-

ний питающих линий двух смежных ТП,

Корнеев В.А.,

и в бестоковую паузу от групповой защиты

Горьковская дирекция по энергообеспечению -

минимального напряжения отключаются

структурное подразделение «Трансэнерго» -

все разъединители с моторными приво-

филиала ОАО «РЖД», Нижний Новгород

дами ПС. Затем по штатному АПВ с време-

Субханвердиев К.С., к. т.н.,

нем 5-7 с включаются выключатели пи-

«Трансэлектропроект» - филиал ОАО «Росжелдорпроект», Москва

тающих линий тяговой сети на ТП, и при

Вязов Е.В.,

устойчивом КЗ повторно отключается тот

ООО «Релематика», Чебоксары

выключатель, в зоне которого находится

Жевлаков Д.А.,

повреждение. Существенный недоста-

Ремонтно-ревизионный участок «Агрыз», Аргыз

ток такой схемы - на 5-7 с отключается

вся межподстанционная зона. При этом

В работе предлагается расширить

The paper suggests expanding the range of

известно, что большинство КЗ в тяговой

варианты постов секционирования кон-

options for feeder pillars of alternating cur-

сети - проходящие (более 80-90%), когда

тактной сети переменного тока введе-

rent traction power network by introducing

после отключения выключателей КЗ ис-

нием одного вакуумного выключателя

one vacuums witch in to the bus of the cir-

чезает. Поэтому на Горьковской дороге

в шину поста секционирования на разъ-

cuit-breaker based feederpillar. Introduc in

разработано, внедрено и более 10 лет экс-

единителях. Введение одного вакуумного

gone vacuums witch open sup new oppor-

плуатируется устройство с функцией опре-

выключателя открывает новые воз-

tunities in organization of relay protection

деления проходящих КЗ в тяговой сети,

можности в области организации релей-

and automation on sections with circuit-

которое позволяет в аварийных ситуациях

ной защиты и автоматики на участках

breaker based feeder pillars. Operational

сократить время отключенного состояния

с постами секционирования на разъ-

aspects are considered of relay protection

тяговой сети до 0,5 с. Эта функция введе-

единителях. Рассмотрены особенности

and automation in the new feeder pillar

на в интеллектуальный терминал ИнТер

работы релейной защиты и автомати-

arrangement, with new approaches and

по разработкам ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО».

ки в новой схеме поста секционирования

specific implementation of their algorithms

Таким образом, с включением терминала

и предложены подходы и конкретная

suggested.

ИнТер в схему управления выключателем

реализация их алгоритмов.

Keywords: traction power network, al-

и дополнительного трансформатора напря-

Ключевые слова: тяговая сеть, пере-

ternating current, circuit-breaker based

жения на присоединениях питающих линий

менный ток, пост секционирования

feederpillar, relay protection, automation,

за выключателем со стороны тяговой сети

на разъединителях, релейная защита,

algorithms.

до минимума сократится число негативных

автоматика, алгоритмы.

последствий аварийных отключений.

Схемы постов секционирования

Поэтому на Горьковской и некоторых

В связи с этим предлагается расши-

переменного тока

других дорогах России применяют ПС пе-

рить варианты ПС контактной сети пере-

По типовым проектам посты секцио-

ременного тока на разъединителях [1-6].

менного тока в зависимости от условий

нирования (ПС) контактной сети перемен-

Главное их преимущество (в том числе

их эксплуатации, и, как один из вариан-

ного тока выполняются на выключателях,

и отличие от типовых ПС на выключате-

тов, в шину постов на разъединителях

и при коротких замыканиях (КЗ) в любой

лях) в том, что вся межподстанционная

включать вакуумный выключатель. Таким

точке контактной сети отключается только

зона отключается без выдержки времени

образом, на основании известных раз-

«четвертушка» межподстанционной зоны.

и, следовательно, существенно снижается

работок [1-6] предлагаются следующие

Для этого применяется селективная защи-

вероятность пережога проводов контакт-

варианты схем ПС переменного тока,

та тяговой сети, известным недостатком

ной сети. При этой схеме, как правило,

предназначенные для тех или иных ус-

которой является необходимость отклю-

сохраняется двухстороннее питание,

ловий эксплуатации (рис. 1):

чений КЗ вблизи ПС и тяговых подстанций

а разъединители в нормальном режиме

••

ПС на выключателях на скорост-

(ТП) с выдержкой времени, что определяет

находятся во включенном состоянии.

ных участках, а также на участках с подъ-

повышенную опасность пережога кон-

В рассматриваемой схеме питания

емами более 6‰ и на ПС на три и более

тактных проводов.

и секционирования тяговой сети при КЗ

направлений (рис. 1а);

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

• второй режим, когда для снижения

перетоков мощности по тяговой сети необ-

ходим раздел по ПС, то есть выключатель

в шине ПС отключен.

В первом режиме схема электроснаб-

жения, как правило, с двухсторонним

питанием участка, однако может быть

и с односторонним питанием. В послед-

нем случае работает, например, участок

Шумерля - Сергач, так как по условиям

работы энергосистемы в нем требуется

постоянный раздел по контактной сети

с целью ликвидации больших перетоков

мощности. На указанном участке для нор-

мализации напряжения в конце консоли

контактной сети установлена регулиру-

емая установка поперечной емкостной

компенсации.

Второй режим предусматривает

встречно-консольное питание тяговой

сети до ПС. Основное назначение ваку-

умного выключателя в шине ПС - кратко-

временно включаться для шунтирования

воздушных промежутков при проходе то-

коприемника по двум путям мимо ПС. Ос-

новной недостаток этого варианта - услож-

нение эксплуатации ПС в связи с частыми

переключениями вакуумного выключателя

(до 150-250 раз в сутки).

Организация защиты тяговой

сети с вакуумным выключателем

в шине поста секционирования

Включение вакуумного выключателя

Рис. 1. Варианты ПС переменного тока в схемах питания двухпутного участка

в шину ПС, выполненного на разъеди-

••

ПС на разъединителях на равнин-

сети, перейти на частично неселективную

нителях, открывает новые возможности

ных участках на два направления с подъ-

систему защиты и даже в автоматическом

в области организации релейной защиты

емами не более 6‰ (рис. 1б);

режиме добиться отключения в бесто-

от токов КЗ на участках с разъединителя-

••

ПС на разъединителях с вакуум-

ковую паузу соответствующего разъеди-

ми на посту.

ным выключателем в шине ПС (рис. 1в).

нителя, что позволит отключать только

Действительно включение выключате-

Преимущества и недостатки схемы

четвертушку участка.

ля в шину в новой схеме ПС на разъедини-

по рис. 1а были указаны ранее. Основ-

Данное схемное решение было ре-

телях создает условия для использования

ное преимущество схемы на управляемых

ализовано на ПС «Кизнер» Горьковской

распространенной селективной системы

разъединителях по рис. 1б - отключение

железной дороги (рис. 2) и показало свою

защиты, обычно применяемой в типовых

КЗ на всей межподстанционной зоне с ну-

эффективность. Как видно, внутри модуля

проектах ПС на выключателях. Данная

левой выдержкой времени и при этом

ПС предусмотрена установка вакуумного

система защиты, несмотря на свои недо-

минимальные затраты на капитальные

выключателя и двух трансформаторов

статки, широко используется на участках

и текущие расходы и повышенная надеж-

напряжения, а на каждом из четырех

железных дорог переменного тока, так как

ность оборудования.

фидеров контактной сети установлены

проста и интуитивно понятна.

Что касается третьего варианта с вве-

разъединитель и трансформатор тока на-

Особенностью ее работы в новой

дением вакуумного выключателя в шину

ружной установки.

схеме с ПС на разъединителях и ваку-

ПС (рис. 1в), то это, прежде всего, зна-

Следует отметить, что в схеме ПС

умным выключателем является необ-

чительное усиление существующих ПС

на разъединителях с вакуумным выклю-

ходимость при срабатывании защиты

на разъединителях с добавлением всего

чателем в шине поста должна быть предус-

выключателя ТП на поврежденной пи-

одного вакуумного выключателя (в даль-

мотрена возможность работы автоматики

тающей линии отключать выключатель

нейшем вполне возможно вместо выклю-

в двух режимах:

смежного присоединения на ТП. В про-

чателя включить реклоузер на 27,5 кВ).

• первый режим, когда в исходном

тивном случае, например, при КЗ в зоне

При этом (как будет видно из изложенного

случае ПС включен в работу и все разъ-

вблизи ТП придется мириться с большим

ниже) возможно в аварийной ситуации

единители и выключатель в шине ПС вклю-

временем отключения тока подпитки

отключить половину участка контактной

чены;

через неповрежденную питающую линию

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Напротив, включение вакуумного вы-

ключателя в шину ПС на разъединителях

делает возможным применение частично

неселективной системы защиты (ЧНСЗ) [4]

на рассматриваемых участках, более чем

отвечающей условиям работы системы

тягового электроснабжения.

Рассмотрим принцип реализации ЧНСЗ

в новой схеме ПС с вакуумным выключа-

телем на примере двухпутного участка

контактной сети (рис. 3а).

Рассматриваемая система защиты пи-

тающих линий контактной сети выпол-

няется трехступенчатой. Зона действия

первой ступени (I) дистанционных защит

с нулевой выдержкой времени, опреде-

ляемая данной организацией защиты,

охватывает всю защищаемую зону (зона

подстанция - пост), что делает ее основной

для соответствующего участка (рис. 3б,

3в, 3г, 3д). Вторая и третья ступени (II и III)

повторяют ступени дистанционных защит

селективной системы и являются резерв-

ными для первой.

В результате работа ЧНСЗ в новой схе-

ме ПС с вакуумным выключателем будет

организована следующим образом.

На значительной части межподстанци-

онной зоны КЗ будет отключаться выклю-

чателями поврежденной питающей линии

на ТП и ПС от первой ступени их защит

с нулевой выдержкой времени. При этом

быстрого, без выдержки времени отключе-

ния выключателя смежной параллельной

линии контактной сети на ТП не произой-

дет, так как КЗ будет преимущественно

в зоне действия второй или третей ступени

его защиты. Поэтому для исключения под-

питки КЗ со стороны параллельной линии

выполняется отключение выключателя ТП

этой линии при срабатывании защиты вы-

ключателя ТП на поврежденном участке.

Например, КЗ в точке К1 приведет к бы-

строму отключению выключателей QA1

и QA2 на ТПA и QAB на ПС, при том что

отключение выключателя QA2 произойдет

Рис. 2. Пост секционирования станции Кизнер (а) и его электрическая схема (б)

от защиты выключателя QA1.

При близких к ПС повреждениях воз-

контактной сети, вплоть до отключения

быть выполнена таким образом, чтобы

можна неселективная работа первой

тока, с временем, определяемым работой

за максимально возможное время дей-

ступени защит выключателей неповреж-

третьей ступени защиты.

ствия защит системы вероятность по-

денных питающих линий контактной сети

При этом дистанционная защита ва-

вреждения элементов контактной сети

и, как следствие, отключение их с нулевой

куумного выключателя на ПС относитель-

была минимальна. Этому условию отве-

выдержкой времени. Если КЗ произошло

но защит выключателей ТП выполняется

чает неселективная система защиты [2],

в режиме работы ПС с разделом, отклю-

ненаправленной для обеспечения сраба-

применяемая преимущественно на ПС

чатся только выключатели участка под-

тывания на КЗ в любой точке межподстан-

на разъединителях в силу особенностей

станция - пост, где случилось КЗ. Так, при

ционной зоны при включенном режиме

последних. Однако при работе защит

КЗ в точке К2 в режиме с включенным ПС

работы ПС.

данной системы (как уже отмечалось

отключатся выключатели QA1, QA2 и QВ1,

При всем том организация системы

выше) приходится мириться с обесточи-

QВ2 подстанций и выключатель QAB поста.

защиты межподстанционной зоны должна ванием всей межподстанционной зоны.

Однако зона неселективного действия

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

координат, отличающейся большим коли-

чеством ложных отключений.

Расчет уставок второй и третьей сту-

пеней защит выполняется аналогично, как

для ЧНСЗ, так и для селективной системы,

и дан в [7, 8], поэтому в настоящей работе

не рассматривается.

Таким образом, соответствующим

выбором уставок первой ступени защит

выключателей присоединений питающих

линий тяговой сети достигается увеличе-

ние зоны быстрого отключения. При этом

возможные неселективные отключения

некоторых участков сети могут быть ис-

правлены АПВ.

Автоматизация поста

секционирования

на разъединителях с вакуумным

выключателем в шине

Вариант ПС контактной сети перемен-

ного тока на разъединителях с включен-

ным вакуумным выключателем в шине,

как и в случае с типовым проектом на вы-

ключателях, позволяет реализовать

функцию автоматики, определяющую

характер КЗ в тяговой сети. Как уже от-

Рис. 3. Расчетное начертание схемы двухпутного участка с ПС (а);

мечалось, использование этой функции

графики селективности защит выключателей QAn (QBn) (б) и QAB (г) и

сокращает до минимума число негатив-

их временные характеристики срабатывания (в и д) при ЧНСЗ

ных последствий аварийных отключений.

На ПС станции Кизнер данная функция

защит выключателей крайне мала и со-

а ее отстройка от нагрузки производится

введена в терминал ТОР 300 ПСК компании

ставляет порядка 0,03÷0,05 от расстояния

по углу сдвига фаз между током и напря-

ООО «Релематика», известного российско-

подстанция - пост [10], что не оказывает

жением, аналогично отстройке второй

го производителя устройств РЗА и АСУ.

существенного влияния на работу системы

и третьей ступеней [7, 8]. Напротив, пер-

Автоматика участка с рассматрива-

тягового электроснабжения.

вая ступень защиты вакуумного выклю-

емой схемой ПС (рис. 4) работает сле-

Таким образом, КЗ отключается в пре-

чателя в шине ПС должна быть выполне-

дующим образом. При аварии защита

делах всей межподстанционной зоны без

на ненаправленной с соблюдением усло-

поврежденного присоединения ТП дей-

выдержки времени, то есть за время, при

вия отстройки от нагрузочного режима

ствует на отключение выключателей ТП

котором не наступает пережога контакт-

параллельных питающих линий, а защита

ного провода.

выключателя в шине ПС действует на его

Остановимся на особенностях расчета

где z_Нmin - минимальное сопротивление

отключение и формирует сигнал отклю-

уставок дистанционных защит рассматри-

нагрузки;

чения разъединителя поврежденной пи-

ваемой системы.

к_З - коэффициент запаса, равный

тающей линии контактной сети. При этом

Сопротивление срабатывания пер-

1,15…1,3.

отключение разъединителя выполняется

вой ступени защит ЧНСЗ для двухпут-

Это должно обеспечить несрабатыва-

при соблюдении следующих условий:

ного участка должно быть определено

ние данной ступени защиты выключателя

••

ток поврежденного присоедине-

по выражению

с характеристикой срабатывания, имею-

ния с момента срабатывания защиты вы-

щей вид окружности с центром в начале

ключателя ПС и до момента отключения

Z_СЗ1= к_Ч∙ 2 ∙ z₂₂∙ L,

где к_Ч - коэффициент чувствительности,

равный 1,15;

z₂₂ - удельное сопротивление тяговой

сети двухпутного участка при включен-

ной в работу контактной сети обоих путей

и равных токах в их подвесках по величине

и направлению, Ом/км;

L - расстояние от ТП до ПС, км.

На ТП данная ступень защит выключа-

Рис. 4. Схема участка с ПС на разъединителях с включенным вакуумным

телей предусматривается направленной,

выключателем в шине

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

выключателей защищаемого участка на-

первой ступени защиты ПС сравнение

неуспешной работы АПВ ПС с отключе-

правлен от шины ПС в линию, а его вели-

тока и контроль его направления произ-

нием от защит также производится от-

чина больше значения соответствующе-

водятся без задержки, тогда как в случае

ключение разъединителя поврежденного

го тока в смежном присоединении;

срабатывания второй ступени выполнение

присоединения с выдержкой времени,

••

КЗ в отключенной контактной сети

данных алгоритмов осуществляется по ис-

превышающей время АПВ. Таким образом,

носит устойчивый характер.

течении выдержки времени. В результате

автоматика в новой схеме ПС с вакуумным

Наряду с этим при устойчивом повреж-

в том и другом случае ток поврежденного

выключателем в шине реализована так,

дении устройством поиска КЗ (УПКЗ) вы-

присоединения будет всегда направлен

что при аварии значительно снижается

полняется запрет АПВ на ПС, а отключение

от шины ПС в линию, а его значение строго

время отключенного состояния тяговой

разъединителя поврежденного присо-

больше соответствующего тока в смежной

сети и не требуется поиск КЗ на контактной

единения осуществляется с выдержкой

питающей линии, что позволит автоматике

сети, тем самым повышается эффектив-

времени с контролем отключенного по-

надежно фиксировать, какое из присо-

ность работы системы тягового электро-

ложения выключателя ПС. Введение вы-

единений ПС повреждено.

снабжения.

держки времени обусловлено временем

Следует отметить, что выше рассма-

Еще одной важной функцией, также

на отключение выключателей ТП от второй

тривалась работа автоматики при селек-

реализованной в терминале ТОР 300 ПСК,

ступени защиты при повреждении в зоне

тивной системе защиты. В случае частично

является энергосбережение. При парал-

вблизи ПС.

неселективной системы, вследствие осо-

лельной работе ТП образуются перетоки

Следует отметить, что алгоритмы опре-

бенности работы ее защит, не всегда мож-

с существенными потерями электрической

деления поврежденного присоединения

но точно определить, какая из питающих

энергии. На ряде участков в связи с боль-

с помощью органа направления мощности

линий контактной сети повреждена. Так,

шими перетоками приходится выполнять

(ОНМ) и по соотношению токов в парал-

при КЗ в любой точке защищаемого участ-

раздельный режим работы ТП по контакт-

лельных питающих линиях контактной

ка защиты выключателей ТП и ПС в случае

ной сети. В этом случае применяется из-

сети взаимно дополняют друг друга, что

частично неселективной системы сраба-

вестный вариант схемы питания тяговой

позволяет произвести селективное отклю-

тывают одновременно. Поэтому работа

сети - встречно-консольный с разделом

чение соответствующего разъединителя

алгоритмов сравнения тока и контроля

по ПС. Тогда нормальное состояние выклю-

ПС. В результате отключение разъеди-

его направления производится с момента

чателя в шине ПС - отключен. Специаль-

нителя поврежденной питающей линии

срабатывания этих защит и до момента

ный алгоритм позволяет кратковременно

происходит в бестоковую паузу после

отключения их выключателей защищае-

включать выключатель с шунтированием

отключения выключателей на ТП и ПС

мого участка.

воздушного промежутка при появлении

и при устойчивом характере поврежде-

В результате при повреждении в зоне

ЭПС на контролируемом участке контакт-

ния контактной сети, когда действие АПВ

вблизи ТП токи в параллельных питаю-

ной сети.

на ПС блокировано. После отключения

щих линиях контактной сети по величине

разъединителя поврежденного присо-

и направлению идентичны, что не дает

Выводы

единения производится деблокировка

установить поврежденное присоединение

1. В зависимости от условий эксплуата-

АПВ на ПС и включается его выключатель

и автоматически произвести отключение

ции и профиля участка применяют различ-

в шине. Далее выполняется штатное АПВ

соответствующего разъединителя при

ные схемы ПС переменного тока, а именно

на ТП и происходит включение его вы-

устойчивом КЗ. Поэтому в рассматрива-

на выключателях, на управляемых разъ-

ключателей. После выключатель повреж-

емом случае выполняется отключение

единителях, а также на управляемых разъ-

денной питающей линии на ТП повторно

обоих разъединителей смежных присо-

единителях с вакуумным выключателем

отключается от своей защиты, а выключа-

единений ПС, что необходимо для после-

в шине поста.

тель смежного присоединения остается

дующего поиска поврежденной питающей

2. С применением ПС на управляемых

в работе.

линии энергодиспетчером путем включе-

разъединителях с вакуумным выключате-

Однако при включенном режиме рабо-

ния выключателей на ТП для опробования

лем в шине поста появляется возможность

ты ПС возможно совпадение направлений

контактной сети. Впрочем, вероятность

применения частично неселективной за-

токов и их значений в смежных питающих

появления рассматриваемого случая

щиты с обеспечением защиты всей меж-

линиях ПС, то есть несоблюдение усло-

крайне мала.

подстанционной зоны с нулевой выдерж-

вия, устанавливающего, какое из смежных

В случае определения устройством

кой времени и снижением в два раза числа

присоединений ПС повреждено. Данное

УПКЗ неустойчивого (проходящего) КЗ

неселективных отключений.

обстоятельство может иметь место при КЗ

в отключенной контактной сети по БАПВ

3. Включение вакуумного выключателя

в зоне вблизи шин ТП до момента отклю-

на ПС с выдержкой времени 0,5-3 с про-

в шину ПС позволяет организовать, как

чения ее выключателей. Поэтому перед

изводится включение выключателя в шине

вариант, встречно-консольное питание

выполнением алгоритмов сравнения

и сохранение разъединителей во вклю-

тяговой сети с разделом по ПС и ввести

тока и контроля его направления в рас-

ченном состоянии. В результате аварий-

автоматику на кратковременное вклю-

сматриваемом случае вводится выдержка

ный режим при проходящем КЗ не влечет

чение выключателя для шунтирования

времени, равная времени отключения вы-

негативных последствий.

воздушных промежутков при проходе

ключателей ТП от первой ступени защиты.

При несрабатывании БАПВ выключа-

по ним токоприемников ЭПС.

Условием введения выдержки времени

теля на ПС или его неуспешной работе

4. Для схемы питания межподстан-

является факт срабатывания второй сту-

выполняется АПВ с выдержкой времени

ционной зоны с ПС на разъединителях

пени дистанционной защиты ПС.

5-7 с, необходимое для резервирова-

и с нормально включенным вакуумным

Таким образом, при срабатывании

ния работы БАПВ. Вместе с тем в случае

выключателем в шине поста предложен

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

алгоритм управления ПС в аварийных

скую диссертацию по теме «Теория и практика

German Leonid

ситуациях:

совершенствования режима системы тягового

Was born in 1937. He has graduated Moscow In-

• при проходящих КЗ выполняется

электроснабжения переменного тока с уста-

stitute of Transport Engineers by specialty Engi-

АПВ вакуумного выключателя с временем

новками емкостной компенсации». Доктор

neer routes - electrician (1959). He has defend-

0,5-3 с;

технических наук, профессор кафедры «Тех-

ed the dissertation by the theme Theory and

• при устойчивых КЗ отключается тот

ника и технологии железнодорожного транс-

practice of improving treatment system traction

разъединитель ПС в бестоковую паузу,

порта» филиала Самарского государственно-

below the AC power plants with capacitive com-

в зоне которого произошло КЗ.

го университета путей сообщения в Нижнем

pensation. He is a doctor of technical sciences,

Новгороде, член-корреспондент Российской

professor of dept. Electrification and Utilities

Литература

академии транспорта. Автор более 390 науч-

at the Nizhny Novgorod branch of the Russian

1. Герман Л.А. Автоматизация электроснаб-

ных трудов, 100 изобретений и патентов. Име-

State University of Transport Communications.

жения тяговой сети переменного тока: моно-

ет 2 правительственные награды.

He is a corresponding member of the Academy

графия/ Л.А. Герман, В.Л. Герман. - М.: МИИТ,

of Transport of the Russian Federation. Author

2014. - 173 с.

Корнеев Вячеслав Александрович

of more than 350 scientific works, 70 inventions

2. Кравцов В.И., Герман Л.А., Шелом И.А. По-

Родился в 1973 году. Окончил Ростовский

and patents. He has 2 government awards.

сты секционирования и пункты параллельного

государственный университет путей сооб-

соединения контактной сети на разъедини-

щения. Опыт работы - 23 года. В настоящее

Korneev Vyacheslav

телях // ЦНИИ ТЭИ, серия «Электрификация

время работает начальником Горьковской

Was born in 1973. He graduated from Rostov

и энергетическое хозяйство», выпуск 14, 1965 г.

дирекции по энергообеспечению - струк-

State Transport University. Has 23 years of work-

3. Герман Л.А., Якунин Д.В., Фадеев А.А.

турного подразделения «Трансэнерго» - фи-

ing experience. At present he is a head of the

Посты секционирования на разъедините-

лиала ОАО «РЖД». Имеет 5 статей и 2 патента

Gorky Directorate for Energy Supply - Structural

лях // Локомотив, 2013, № 5. - С. 43-44.

на полезные модели.

Division of “Transenergo” - branch of Russian

4. Герман Л.А., Селякин В.С. Автоматизация

Railways. Has 5 scientific publications and 2 pat-

электроснабжения тяговой сети переменно-

Субханвердиев Камиль Субханвердиевич

ents for utility models.

го тока // Железнодорожный транспорт, 2010,

Родился в 1989 году. В 2012 году окончил

№ 7. - С. 34-40.

МГУПС (МИИТ) по специальности «Электро-

Subkhanverdiev Сamille

5. Патент № 1600540 от 28 октября 2015 г.

снабжение железных дорог». Кандидат техни-

Was born in 1989. In 2012 he graduated from

Пост секционирования контактной сети пе-

ческих наук. В 2018 году защитил диссертацию

Moscow State University of Railway Engineering

ременного тока (Герман Л.А., Корнеев В.А.,

по теме «Разработка и совершенствование

(MIIT) with a degree in “Railways electric power

Попов Д.С., Якунин Д.В.). Опубл. 27.02.2016,

алгоритмов селективной и неселективной

supply”. Candidate of Technical Sciences. In 2018

бюлл. № 6.

систем защиты тяговых сетей переменного

he defended his thesis on the topic “Develop-

6. Патент № 2674399 от 19 сентября 2017 г.

тока». Опыт работы - 7 лет. В настоящее время

ment and improvement of algorithms of selective

Автоматизация электроснабжения тяговой

работает инженером I категории в Проектно-

and non-selective protection systems of electric

сети переменного тока (Субханвердиев К.С.,

изыскательном институте электрификации

traction AC networks”. He has 7 years of working

Герман Л.А., Попов А.Ю., Ишкин Д.В.). Опубл.

железных дороги энергетических установок

experience. At present he is a first class engineer

07.12.2018, бюлл. № 34.

«Трансэлектропроект» - филиале ОАО «Рос-

at Design and survey institute of railways electri-

7. Руководящие указания по релейной за-

желдорпроект». Имеет около 10 публикаций

fication and electric power plants “Transelectro-

щите систем тягового электроснабжения. -

в рецензируемых журналах, 5 патентов на изо-

project” - branch of “Roszheldorproject”. He has

М.: ТРАНСИЗДАТ, 2005. - 216 с.

бретения и полезные модели, одно свидетель-

about 10 publications in peer-reviewed journals,

8. Защита систем электроснабжения желез-

ство о регистрации программы для ЭВМ.

5 patents for inventions and utility models, one

ной дороги от коротких замыканий и пере-

computer software registration certificate.

грузки. Ч. 4. Методика выбора уставок защит

Вязов Евгений Владимирович

в системе тягового электроснабжения пере-

Родился в 1972 году. Окончил Чувашский

Vyazov Eugeniy

менного тока: СТОРЖД 07.021.4, 2015.

государственный университет по специаль-

Was born in 1972. He graduated from Chuvash

9. Пупынин В.Н. Частично-неселективная

ности «Электрические аппараты». Опыт ра-

State University with a degree in “Electrical ap-

защита контактной сети

/ В.Н. Пупынин,

боты - 25 лет. В настоящее время работает

paratus”. Has 25 years of working experience. At

К.С. Субханвердиев, М.В. Николаев // Локомо-

заместителем заведующего отделом защит

present he is a deputy head of the Department

тив, 2015, № 9. - С. 40-41.

среднего напряжения ООО

«Релематика»,

of medium voltage protection, LLC “Relematika”,

10. Субханвердиев К.С. Частично-неселектив-

Чебоксары.

Cheboksary.

ная система защит контактной сети / К.С. Суб-

ханвердиев // Мир транспорта, 2014, № 5. -

Жевлаков Дмитрий Александрович

Zhevlakov Dmitriy

С. 90-96.

Родился в 1982 году. В 2009 году окончил

Was born in 1982. In 2009 he graduated from

МГУПС (МИИТ) по специальности «Электро-

Moscow State University of Railway Engineering

Герман Леонид Абрамович

снабжение железных дорог». Опыт рабо-

(MIIT) with a degree in “Railways electric power

Родился в 1937 году. В 1959 году окончил Мо-

ты - 15 лет. В настоящее время работает

supply”. Has 15 years of working experience. At

сковский институт инженеров транспорта

старшим электромехаником ремонтно-ре-

present he is a senior electromechanician of

(МИИТ) по специальности «Инженер путей со-

визионного участка «Агрыз». Имеет 1 патент

the repair and auditing section of “Agryz”. Has

общения - электромеханик». Защитил доктор-

на изобретение.

1 patent for invention.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Моделирование теплового режима

тягового электрооборудования электровозов

при наличии регулируемой

принудительной вентиляции

// Thermal modeling of electric locomotive’s traction electrical equipment

with adjustable forced ventilation //

Зарифьян А.А., д. т.н., профессор,

На электровозах принудительная вен-

Тептиков Н.Р., к. т.н., доцент

тиляция применяется для обеспечения

Ростовский государственный университет путей сообщения,

нормальных температурных условий рабо-

Ростов-на-Дону

ты основных элементов силовой цепи (вы-

прямительной установки, сглаживающих

Михайлов В.В.,

реакторов, тяговых двигателей) и другого

Южно-Российский государственный политехнический университет

оборудования (мотор-компрессоров, ре-

(НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск

зисторов, индуктивных шунтов, теплооб-

Мустафин А.Ш.,

менников трансформатора), а также для

Ростовский-на-Дону электровозоремонтный завод -

охлаждения внутренних объемов кузова

филиал АО «Желдорреммаш», Ростов-на-Дону

в летнее время. Кроме того, принудитель-

ная вентиляция обеспечивает некоторое

Представлена методика расчета теку-

A method for calculating the current over-

избыточное давление в кузове и в корпу-

щей температуры перегрева силового

heating temperature of the electric locomo-

сах ТЭД с целью предотвращения проник-

оборудования электровоза в реальном

tive’s power equipment in real time is pre-

масштабе времени на основе инфор-

sented on the basis of information about the

новения пыли и влаги во время движения.

мации о токе и производительности

Принудительная вентиляция на элек-

current and fan performance without using

вентиляторов без использования

the geometrical dimensions of the power

тровозе служит для отвода тепла, что обе-

конструктивных размеров силовых

спечивает ограничение перегрева оборудо-

elements and the properties of the materials

элементов и свойств применяемых

вания в пределах допустимых температур.

used. A simulation based on the heat bal-

материалов. Выполнено моделирование

Контроль перегрева может осуществляться

ance differential equation is performed, the

на основе дифференциального уравне-

results of experimental studies of heating

прямыми измерениями [1] либо модели-

ния теплового баланса, представлены

the power elements of electric locomotive’s

рованием [2-4] на основе информации

результаты экспериментальных ис-

electrical circuit are presented, and thermal

о токе и расходе охлаждающего воздуха.

следований нагрева силовых элементов

characteristics are determined.

Система теплового контроля СТК-1

электрической схемы электровоза,

Based on the solution of the heat balance

[1] контролирует температуру электро-

определены тепловые характеристики.

equation, an expression is obtained for the

оборудования электровоза в процессе

На основе решения уравнения тепло-

superheat temperature variation with time,

работы и передает полученные значения

вого баланса получено выражение для

which takes into account the dependence

в бортовую микропроцессорную систему

изменения температуры перегрева

во времени, которое учитывает

of the established superheat temperature

управления. Получаемые данные прямых

зависимость установившейся тем-

and the thermal heating time constant on

и косвенных измерений с достаточной

пературы перегрева и термической

the performance of the fans and the power

точностью отражают фактическую тем-

постоянной времени нагрева от произ-

of heat losses. The developed method al-

пературу оборудования. Однако прямые

водительности вентиляторов и мощ-

lows to determine the current overheating

измерения усложнены уровнями рабо-

ности тепловых потерь. Разработан-

temperature of the circuit power elements

чих напряжений оборудования, необ-

ная методика позволяет определять

due to changes in the current and perfor-

ходимостью гальванической развязки

текущую температуру перегрева

mance of the fans, using for calculations

измерительных цепей, а в ряде случаев

силовых элементов схемы вследствие

only the thermal time constant of heating

практически невозможны для вращаю-

изменения тока и производительности

and the steady-state temperature at the

щихся узлов, например, якорей тяговых

вентиляторов, используя для расчетов

rated current.

электродвигателей.

только термическую постоянную вре-

Keywords: power electrical equipment,

Производительность вентиляторов

мени нагрева и установившуюся темпе-

thermal parameters, overheating temper-

ратуру при номинальном токе.

рассчитывается для номинальных нагру-

ature, adjustable ventilation performance

Ключевые слова: силовое электро-

зок охлаждаемых электрических машин

control.

оборудование, параметры теплового

и аппаратов с условием непродолжитель-

режима, температура перегрева, регу-

ной перегрузки. При этом максимальный

лирование производительности прину-

перегрев не превышает допустимых зна-

дительной вентиляции.

чений. Фактический режим движения

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

и электропотребления характеризуется

t - текущее время;

На основе номинальных значений Θ

неравномерным графиком, поэтому при

T - термическая постоянная времени

и T возможно определить их величины

токе ниже номинального для охлажде-

нагрева оборудования.

для промежуточных режимов при вариа-

ния достаточна меньшая производитель-

Первое слагаемое выражения (1) пред-

ции тока тяги, потерь активной мощности

ность вентиляторов с их переключением

ставляет процесс охлаждения от пере-

и регулирования производительности

на меньшую скорость вращения [5].

грева Θ₀, а второе - нагрев за счет тепло-

вентиляторов, используя систему отно-

Возможность работы оборудования

выделения в оборудовании.

сительных единиц. Введем для относи-

при уменьшенной производительности

Установившаяся температура перегре-

тельных единиц следующие обозначения:

вентиляторов может быть оценена факти-

ва оборудования пропорциональна мощ-

∗

∞

∗

ческими значениями токов в тяговой цепи

ности потерь от тока Р и обратно пропор-

Θ^∗

∞ =

∞N

и их продолжительностью для исключе-

циональна произведению коэффициента

ния перегрева. Вместе с тем пониженный

теплоотдачи с охлаждаемой поверхности

P∗=

Q∗= .

расход охлаждающего воздуха является

α на площадь этой поверхности S

фактором энергосбережения в общем

В соответствии с выражением (3) тер-

∞ =

(2)

потреблении электровоза [6, 7]. Поэтому

⋅ S

мическая постоянная времени каждого

задача моделирования теплового состоя-

Термическая постоянная времени про-

элемента схемы тяги зависит от конструк-

ния тягового оборудования электровоза

порциональна произведению усреднен-

тивных параметров, остающихся неиз-

на основе информации о токе в цепи тяги

ной теплоемкости оборудования C на его

менными, и коэффициента теплоотдачи

и производительности вентиляторов яв-

массу G и обратно пропорциональна про-

α, зависящего от скорости охлаждающего

ляется весьма актуальной.

изведению коэффициента теплоотдачи

воздуха. Для номинальной термической

с охлаждаемой поверхности α на площадь

постоянной времени коэффициент те-

Моделирование перегрева

этой поверхности S

плоотдачи примем обозначение α_N. Тогда

оборудования

⋅G

относительная термическая постоянная

(3)

Структурная схема вентиляции сило-

⋅ S

времени будет равна

вого электрооборудования представлена

Тепловой расчет оборудования за-

T C⋅G

⋅ S

∗

на рис. 1. Производительность мотор-вен-

труднен и требует наличия подробных

⋅

(4)

⋅ S C⋅G

тилятора представляет собой функцию

конструктивных параметров и характе-

его частоты вращения Q = f(n). Силовое

ристик теплопередачи отдельных дета-

Коэффициент теплоотдачи с поверх-

оборудование массой G характеризуется

лей, составляющих единую конструкцию

ности охлаждения можно выразить через

площадью охлаждаемой поверхности S, ко-

оборудования.

скорость охлаждающего воздуха

эффициентом теплоотдачи с этой поверх-

Поэтому используем данные, полу-

α =α

(1+

v),

ности α, усредненной теплоемкостью С.

ченные экспериментальным путем. Для

Исходным выражением для моделиро-

номинальных режимов работы - тока

где α₀ - коэффициент теплоотдачи с по-

вания перегрева оборудования является

тяги I_N и производительности вентиля-

верхности, которая не обдувается;

уравнение теплового баланса

торов Q_N - параметры установившегося

k - коэффициент теплорассеяния;

−

режима являются паспортными номи-

v - скорость обдувающего воздуха.

Θ =Θ

⋅ e

+Θ

(1−e

(1)

∞

нальными характеристиками электро-

При номинальной производительно-

воза и могут быть использованы при

сти вентиляторов скорость обдувающего

где Θ - текущая температура перегрева

моделировании тепловых процессов.

воздуха обозначим v_N. Отношение коэф-

тягового оборудования;

Θ₀ - начальная температура перегрева

Значения установившейся температу-

фициентов теплоотдачи при номинальной

тягового оборудования;

ры перегрева, термической постоянной

производительности вентиляторов и в ре-

времени, тока, мощности потерь также

жиме промежуточных значений можно

Θ∞ - установившаяся температура на-

грева оборудования;

обозначим индексом N: Θ∞N , TN , PN .

определить с учетом того, что произве-

дение скорости движения воздушного

потока на поперечное сечение канала s

равно производительности вентилятора:

Q=v⋅s,

Q_N

(1+k v

)

≈

α α

(1+k v)

В результате относительное значе-

ние термической постоянной времени

(4) примет вид

∗

(4*)

∗

Q_N

Рис. 1. Структурная схема вентиляции: МВ - мотор-вентилятор,

В соответствии с выражением (2)

ТЭД - тяговый электродвигатель, РС - реактор сглаживающий,

ВУК - выпрямительная установка кремниевая

установившаяся температура перегрева

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

оборудования зависит от двух перемен-

номинальную термическую постоянную

Т = Т_N . Т^*.

ных величин: мощности потерь, завися-

времени и номинальную установившу-

Переменная Т^* - это относительная

щей от тока, и коэффициента теплоотдачи

юся температуру перегрева. Результаты

тепловая постоянная времени нагрева,

α, зависящего от скорости охлаждающего

получены при натурных стендовых ис-

которая учитывает влияние производи-

воздуха.

пытаниях. Эти данные необходимы для

тельности вентиляторов на процесс на-

Отсюда относительное значение уста-

проведения моделирования тепловых

гревания и охлаждения. Одновременно

новившейся температуры перегрева будет

режимов при изменениях тока тяги и про-

используется значение установившейся

равно

изводительности вентиляторов.

температуры перегрева

∗

P⋅S

∗

∞

⋅

(5)

Θ = Θ_N . Θ

^*.

⋅ S

∗

∞N

Методика расчета текущей

Таким образом, относительная устано-

температуры перегрева силового

Относительное значение установив-

оборудования

вившаяся температура перегрева зависит

шейся температуры перегрева Θ_* вы-

от двух параметров: от относительного

Для численных расчетов и моделиро-

числяется с учетом тока в тяговой цепи

значения потерь мощности и от относи-

вания, например, в реальном масштабе

на момент расчета и производительности

тельного значения производительности

времени средствами микроконтроллера

вентиляторов по выражению (5).

вентиляторов охлаждения.

уравнение (1) можно записать с учетом

Каждый текущий шаг расчета исполь-

расчетного шага времени Δt для опреде-

зует значение температуры перегрева

Экспериментальные

ления текущей температуры Θ_ТЕК в конце

на предыдущем шаге Θ_ТЕК-1.

исследования

шага

В качестве примера приведем резуль-

Δt

Для каждого элемента тяговой цепи

−

таты расчета температуры перегрева яко-

=Θ

⋅ e

+Θ

⋅(1− e

(6)

электровоза на основе экспериментальных

ТЕК

ТЕК−1

∞

ря ТЭД при значениях тока I_я в диапазоне

данных были определены зависимости

Для численных расчетов в последнем

100…830 А и различной производитель-

потерь мощности от относительного тока:

уравнении целесообразно выполнить

ности вентиляторов Q, м³/мин на основе

∗

0, 656⋅(I

)

+0, 224⋅I

+0,12

–

замену

приведенных выше формул. Результаты

Δt

−

Δt

для якоря тягового двигателя НБ-418;

расчетов сведены в таблицу 2, где также

e T

=1−

∗

)

–

для полюсов (главных и

указаны термические постоянные време-

дополнительных);

тогда уравнение (6) примет вид

ни при различной производительности

∗

РС

)

–

для сглаживающих ре-

вентиляторов с указанием их синхронных

Δt

акторов;

=Θ

−

(Θ

−Θ

)

частот вращения.

ТЕК

ТЕК−1

∞

∗

–

для выпрямительной уста-

На рис. 2 представлены графики,

ВУК

новки.

Таким образом, каждый шаг вычис-

построенные по результатам расчетов

В таблице 1 приведены эксперимен-

лений использует значение термической

зависимости температуры перегрева

тальные данные для элементов схемы тяги

постоянной времени, определяемой вы-

от производительности вентиляторов.

электровоза ВЛ80С, характеризующие

ражением

Горизонтальной линией «Доп» показана

максимально допустимая температура

Таблица 1. Экспериментальные данные для элементов схемы тяги электровоза ВЛ80С,

перегрева, равная 120°C. Класс изоляции

характеризующие номинальную термическую постоянную времени

обмотки якоря F (+140°C).

и номинальную установившуюся температуру перегрева

Из диаграммы следует, что при сту-

пенчатом регулировании скорости вра-

Термическая постоянная

Температура перегрева

Вид оборудования

времени, номинальная

щения вентиляторов, например, равной

номинальная, Θ_∞N, °С

Т_N

, мин

40 м³/мин, ток якоря ТЭД не должен превы-

Якорь ТЭД

120

шать 500 А в длительном режиме. Учиты-

вая продолжительность процесса нагрева

Главные полюса ТЭД

135

элементов тяговой цепи, можно допустить

Дополнительные полюса ТЭД

100

и значительно больший ток, но тогда сле-

РС

4,5

дует моделировать в реальном времени

ВУК

3,5

текущую температуру перегрева и при

Таблица 2. Результаты расчета температуры перегрева якоря ТЭД при значениях тока I_я

в диапазоне 100…830 А и различной производительности вентиляторов

I_я = 100 А

I_я = 200 А

I_я = 400 А

Iя = 500 А

Iя = 600 А

I_я = 700 А

I_я = 830 А

Т_Мин

м³/мин

расчет

опыт

θ_∞, °С

(частота)

105

120

(50 Гц)

52,5

106

132

170

(25 Гц)

102

130

161

208

(16,66 Гц)

17,5

112

145

184

228

294

(8,33 Гц)

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

тепловые и аэродинамические вычисле-

ния на базе конструктивных параметров

оборудования.

3. Необходимым и достаточным рас-

четным условием являются номинальные

значения установившейся температуры

перегрева при номинальном токе и тер-

мической постоянной времени перегрева,

а также производительность вентилято-

ров при номинальной скорости вращения.

4. Предлагаемая методика позволя-

ет моделировать текущую температуру

перегрева по значениям тока и произ-

водительности вентиляторов, зависящей

от их скорости вращения.

5. В случае перегрева тягового элек-

трооборудования в допустимых пределах

целесообразно переходить на понижен-

ную скорость вращения вентиляторов.

Рис. 2. Зависимость установившейся температуры перегрева якоря

от производительности вентиляторов при различных токах ТЭД

Литература

необходимости переключать вентиляторы

Выводы

1. Система температурного контроля сило-

на работу с повышенной производитель-

1. При моделировании тепловых режи-

вого оборудования электровозов «СТК-1». Ру-

ностью. Такой алгоритм был использован

мов элементов тяговой цепи электровоза

ководство по эксплуатации // Ростов-на-Дону,

в энергосберегающей системе вентиляции

на основе уравнения теплового баланса

НПП «Сармат», 2009. - 56 с.

САУВ для электровозов серии ВЛ80 [8-10].

целесообразно термическую постоянную

2. Чернохлебов В.Е. Контроль теплового со-

Изменение термической постоянной

времени нагрева рассчитывать с учетом

стояния силового электрооборудования ма-

времени нагрева от производительности

фактической производительности вен-

гистральных электровозов / В.Е. Чернохлебов,

вентиляторов показано на рис. 3. По ре-

тиляторов охлаждения, а установившу-

В.А. Завалко, В.Н. Памалюк // Изв. вузов. Элек-

зультатам, представленным на этом рисун-

юся температуру перегрева - с учетом

тромеханика, 1986, № 5. - С. 87-93.

ке, можно определить значение термиче-

мощности тепловыделения, зависящего

3. Аганов Р.А. Методика теплового расчета

ской постоянной времени для текущего

от тока и потерь тепла, обусловленных

обмотки якоря тягового электродвигателя

режима вентиляции и использовать это

производительностью вентиляторов.

электропоездов и непрерывный контроль

значение в расчетах по уравнению (6).

2. В расчетах рационально исполь-

температуры якоря с помощью контактного

Аналогичный подход к расчету тепло-

зовать относительные единицы уста-

датчика / Р.А. Аганов, В.В. Михайлов // Вест-

вых режимов можно использовать и для

новившейся температуры перегрева,

ник РГУПС, 2012, № 2. - С. 48-52.

других типов тяговых электродвигателей

тока, термической постоянной времени

4. Платов Н.А. Разработка эквивалентной

(например, асинхронных) и при использо-

перегрева и производительности венти-

тепловой схемы замещения якоря тягового

вании вспомогательного привода с регу-

ляторов, полученные приведением к их

электродвигателя на основе блочной струк-

лируемой скоростью вращения, имеющего

номинальным значениям. Это устраняет

туры // Электроника и электрооборудование

обратную связь.

необходимость проводить громоздкие

транспорта, 2008, № 2. - С. 6-8.

5. Орленко А.И. Энергосбережение в цепях

вспомогательных машин электровозов пере-

менного тока на основе ступенчатого управ-

ления производительностью вентиляторов.

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук // Иркутск, Ир-

ГУПС, 2004. - 189 с.

6. Скогорев И.В. Повышение надежности

и экономической эффективности электрово-

зов за счет рационализации систем охлажде-

ния / И.В. Скогорев // Изв. вузов. Электроме-

ханика, 1986, № 5. - С. 94-99.

7. Ребрик Б.Н. Снижение расхода энергии

на вентиляцию оборудования электровозов /

Ребрик Б.Н., Нестеров А.М.

// Локомотив,

1996, № 3. - С. 23-25.

8. Михайловский В.Н. Система САУВ для элек-

Рис. 3. Зависимость термической постоянной времени нагрева

тровоза ВЛ80С / В.Н. Михайловский, В.Ф. Иса-

от производительности вентиляторов

ев и др. // Локомотив, 2003, № 10. - С. 25-29.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

9. Михайловский В.Н. Автоматизированное

в том числе 44 патента, 4 свидетельства о ре-

University of Communications”. Has more than

регулирование скорости мотор-вентилято-

гистрации программы для ЭВМ.

200 scientific publications.

ров / В.Н. Михайловский, В.Е. Чернохлебов,

Б.Я. Кожевников и др. // Железнодорожный

Мустафин Адель Шамильевич

Mikhailov Vladimir

транспорт, 2005, № 9. - С. 25-29.

Родился в 1981 году. Окончил Ростовский

Was born in 1953. In 1976 he graduated from

10. Система автоматизированного регулиро-

государственный университет путей сообще-

Novocherkassk Polytechnic Institute (NPI) with a

вания частоты вращения вентилятора элек-

ния

(РГУПС) по специальности

«Инженер

degree in “Electrification and automation of min-

тровоза переменного тока: патент 2295461

путей сообщения - электромеханик» (2003)

ing works”. Candidate of engineering sciences. In

от 09.09.2005 г. / М.Д. Рабинович, Б.Я. Кожев-

и Северо-Кавказскую академию государ-

1984 he defended his thesis on the topic “Devel-

ников, В.Н. Михайловский, В.Е. Чернохлебов;

ственной службы по специальности «Юри-

opment and research of control devices for cur-

опубл. 20.03.2007. Бюл. № 8.

спруденция» (2009). Опыт работы - 42 года.

rent-limiting switches”. Has 42 years of working

В настоящее время работает директором

experience. At present he is an associate profes-

Зарифьян Александр Александрович

Ростовского-на-Дону электровозоремонтно-

sor of the Department “Power supply and electric

Родился в 1951 году. В 1973 году окончил

го завода - филиала АО «Желдорреммаш».

drive FGBOU VO “South-Russian State Polytech-

Московский государственный универси-

Имеет 3 научные публикации.

nic University (NPI) named after M.I. Platov”. Has

тет им. М. В. Ломоносова по специальности

103 scientific publications, including 44 patents,

«Механика». Доктор технических наук, про-

Тептиков Николай Романович

4 computer software registration certificates.

фессор. В 1997 году защитил диссертацию

Родился в 1946 году. В 1969 году окончил

по теме

«Прогнозирование переходных

Ростовский институт инженеров железнодо-

Mustafin Adel

режимов в электромеханической системе

рожного транспорта (РИИЖТ) по специаль-

Was born in 1981. He graduated from Rostov

электровоза». Опыт работы - 45 лет. В на-

ности «Инженер-электромеханик». Кандидат

State Transport University (RSTU) with a degree

стоящее время работает профессором ка-

технических наук, доцент. В 1977 году за-

“Railway engineer

- electromechanician”

федры «Тяговый подвижной состав» ФГБОУ

щитил диссертацию по теме «Обнаружение

(2003) and North Caucasus Academy of Public

ВО «Ростовский государственный универси-

повреждений в линиях автоблокировки же-

Administration with a degree in jurisprudence

тет путей сообщения». Имеет более 200 на-

лезнодорожного транспорта». Опыт работы -

(2009). Has 42 years of working experience. At

учных трудов.

48 лет. В настоящее время работает доцентом

present he is a director of Rostov-on-Don Elec-

кафедры «Тяговый подвижной состав» ФГБОУ

tric Locomotive Repair Plant - branch of “Zhel-

Михайлов Владимир Владимирович

ВО «Ростовский государственный универси-

dorremmash” JSC. Has 3 scientific publications.

Родился в 1953 году. В 1976 году окончил

тет путей сообщения». Имеет более 100 науч-

Новочеркасский политехнический институт

ных публикаций.

Teptikov Nokolay

(НПИ) по специальности «Электрификация

Was born in 1946. In 1969 he graduated from

и автоматизация горных работ». Кандидат тех-

Zaryfyan Alexander

Rostov Institute of Railway Engineers (RIRE) with

нических наук. В 1984 году защитил диссер-

Was born in 1951. In 1973 he graduated from

a degree in “Electrical Engineer”. Candidate of

тацию по теме «Разработка и исследования

Moscow State University named after M.V. Lo-

engineering sciences, associate professor. In

устройств управления токоограничивающи-

monosov with a degree in mechanics. Doctor

1977 he defended his thesis on the topic “Dam-

ми выключателями». Опыт работы - 42 года.

of engineering sciences, professor. In 1997 he

age detection in lines of autoblocking of railway

В настоящее время работает доцентом кафе-

defended his thesis on the topic “Prediction of

transport”. Has 48 years of working experience.

дры «Электроснабжение и электропривод»

transient modes in an electromechanical loco-

At present he is an associate professor of the

ФГБОУ ВО «Южно-Российский государствен-

motive system”. Has 45 years of working expe-

“Traction vehicle” department at FSBEI of HE

ный политехнический университет

(НПИ)

rience. At present he is a professor at “Traction

“Rostov State University of Communications”.

имени М.И. Платова». Имеет 103 публикации,

vehicle” department at FSBEI of HE “Rostov State

Has more than 100 scientific publications.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Анализ работы высоковольтных линий

автоблокировки и устройств связи

магистральных железных дорог

в грозовой период

// Analysis of insulation work of high-voltage lines

of automatic blocking trunk railway in the thunderstorm period //

Косарев А.Б., д. т.н., профессор,

таких планов типа BIB-схем и методы анали-

АО «ВНИИЖТ», Москва

за их результатов подробно описаны в [1].

В работе использован план типа

Косарев Б.И., д. т.н., профессор,

BIB-схемы с параметрами v = 9, b = 12,

РУТ (МИИТ), Москва

r = 4, k = 3, λ = 1 для выявления эксперт-

Установлено, что наиболее весомыми

It has been established that the most signifi-

ным способом основных из v = 9 показа-

факторами, влияющими на работу

cant factors affecting the work of isolating

телей, влияющих на работоспособность

изоляции высоковольтных линий ав-

high-voltage autoblocking lines during a

устройств связи.

тоблокировки в грозовой период, явля-

thunderstorm period are: switching, incl.

Эксперты были разбиты на четы-

ются: коммутационные, в том числе

and thunderstorm, overvoltages in the rail

ре группы (реплики) по три человека,

грозовые перенапряжения в рельсовом

track when it is used as a natural earthing

и каждый эксперт мог оценивать только

пути при его использовании в качестве

switch; discharges of lightning currents into

k = 3 фактора по степени его влияния

естественного заземлителя; разря-

high-voltage lines of automatic blocking;

на работоспособность устройств связи.

ды токов молнии в высоковольтные

grounding on the track of the phase C of

Особенность использованного сба-

линии автоблокировки; заземление на

the complete transformer substation with

лансированного плана эксперимента со-

рельсовый путь фазы С комплектной

its supply from the system "two wir - rails".

стоит в том, что каждая пара вариантов

трансформаторной подстанции при

The system of lightning protection and

(факторов) встречается в плане одно и то

ее питании от системы «два прово-

grounding of high-voltage and low-voltage

же число раз λ (в данном случае λ = 1).

да - рельс». Обоснована система грозо-

auto-locking devices at a signal point that

Поэтому точность сравнения оценивае-

защиты и заземления высоковольтных

satisfies the requirements of regulatory

мых эффектов факторов одинакова. Ран-

и низковольтных устройств автобло-

documents is grounded. The principal dif-

домизация эксперимента осуществля-

кировки на сигнальной точке, удовлет-

ference between the proposed scheme and

лась путем случайного распределения

воряющая требованиям нормативных

the known ones is the refusal to use the rail

экспертов по блокам и внутри каждого

документов. Принципиальным отличи-

track as a natural ground for connection of

из четырех групп порядка оценки ими

ем предложенной схемы от известных

lightning protection devices.

факторов в каждом блоке.

является отказ от использования рель-

Keywords: switching overvoltage, power line

Модель для описания результатов

сового пути в качестве естественного

of automatic blocking, lightning current,

подобного эксперимента имеет вид [1]

заземления для подключения грозоза-

signal installation.

щитных устройств.

=μ+τ

+β

+ε

Ключевые слова: коммутационные пере-

напряжения, ЛЭП автоблокировки, ток

где y_ij - результат i-го наблюдения в j-м

молнии, сигнальная установка.

блоке; τ_i - эффект влияния i-го фактора;

βj - эффект влияния j-го блока (эксперта);

Анализ факторов, влияющих на ра-

Для учета таких ограничений и повы-

ij - случайная ошибка с распределением

ботоспособность устройств связи, про-

шения чувствительности анализа целесоо-

N(0, σ_ε).

веден в работе методами экспертного

бразно проводить экспертное оценивание

При использовании статистического

анализа. В практических задачах эксперт-

показателей с использованием так назы-

анализа сбалансированных квадратных

ного оценивания современных много-

ваемых сбалансированных планов типа

решеток установлено, что наиболее ве-

критериальных объектов достаточно

BIB-схем с параметрами v, b, r, k, λ, которые

сомыми факторами являются:

сложно подобрать большую группу экс-

обеспечивают оценку и сравнение пока-

••

коммутационные, в том числе гро-

пертов широкой квалификации, каждый

зателей объекта с одинаковой точностью.

зовые перенапряжения в рельсовом

из которых способен оценить и проран-

Используя BIB-схему для оценки общего

пути при его использовании в качестве

жировать все показатели, характеризую-

числа v показателей, команда из b экспер-

естественного заземлителя;

щие объект. В таких случаях приходится

тов разбивается на r групп, в каждой из

••

разряды токов молнии в высоко-

привлекать группы экспертов различной

которых по k членов, и каждый из членов

вольтные линии автоблокировки;

специализации, члены которых могут

такой группы может оценивать только k

••

заземление на рельсовый путь

оценить и проранжировать только часть

показателей; причем каждая пара элемен-

фазы С комплектной трансформатор-

общего числа показателей анализируе-

тов (показателей) совместно встречается

ной подстанции при ее питании от си-

мого объекта.

в плане одинаковое число раз λ. Каталоги

стемы «два провода - рельсы».

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Расчетная схема замещения для ис-

Обозначим через N_л среднее число

день в линию длиной 100 км составит

следования в импульсных режимах на-

ударов молнии в контактную сеть протя-

N_Л = 0,08h.

пряжений рельсы - земля имеет вид цепи

женностью 100 км. Тогда число опасных

Из N разрядов в тяговую сеть основная

с распределенными параметрами типа

разрядов молнии в воздушные провода

масса поражает контактную сеть, однако

R, L, g и C, принятыми постоянными по

ЛЭП [5, 6] равно

имеется некоторая вероятность и непо-

длине рельсового пути [2].

средственного поражения ЛЭП. Вероят-

β=К

⋅N

⋅l

⋅ p

(1)

Для решения поставленной задачи

оп

ность этого события Р_пр определяется по

возьмем в качестве расчетного тока мол-

где р₂ - вероятность возникновения об-

формуле [6]

нии частный случай стандартной волны,

ратного перекрытия изоляции ЛЭП на-

−

(3)

описанной в работе [3]. Указанный им-

пряжениями рельсы - земля при разряде

^Ρпр

пульс может быть представлен как раз-

тока молнии в контактную сеть (формулы

где a - угол защиты, образованный верти-

ность двух бесконечных косоугольных

для расчета этой вероятности приведены

калью, проходящей через усиливающий

импульсов, сдвинутых относительно друг

в [5, 6]).

провод системы тягового электроснаб-

друга на время длительности фронта tф.

Основным параметром, характеризу-

жения, и линией, соединяющей усилива-

Пусть i(t) = t. Тогда изображение им-

ющим эффективность грозозащиты ЛЭП,

ющий провод с проводом ЛЭП. Примени-

пульса напряжения рельсы - земля на

является импульсное сопротивление Z_u,

тельно к геометрическому расположению

расстоянии х от места ввода тока имеет

определяемое как отношение мгновен-

провода ЛЭП и усиливающего провода на

вид [2]

ных значений потенциала на заземлителе

опоре контактной сети α =

= 45°. В част-

z (

к протекающему через него току

ности, при h = 8,5 м

U(p;

)

exp[−

γ(p)x

]

(2)

−4

где z_в(p); γ(р) - операторные выражения

i(t)

−2,

=10

0,003

волнового сопротивления и коэффици-

Применительно к однопутному участ-

^Ρпр

354

ента распространения рельсового пути;

ку с доверительной вероятностью, равной

Следовательно, применительно к ЛЭП

р - оператор Лапласа.

0,95, интервал изменения импульсного

при ее расположении на опорах контакт-

В связи с тем, что полное сопротив-

сопротивления рельсового пути равен

ной сети число разрядов тока молнии

ление контура рельсы - земля зависит от

непосредственно в провод ЛЭП составит

Zu = [2,5-10] Ом.

частоты [2], сведем вычисление обратного

При расчете числа лет безаварийной

n_пр = Р_прN_Л.

преобразования Лапласа к обратному

работы ЛЭП учтем следующее: ЛЭП распо-

При каждом прямом ударе молнии

преобразованию Фурье. Установлено, что

лагается на металлических кронштейнах

в ЛЭП вероятность перекрытия изоляции

∞

и подвешивается на изоляторах уровня

существенно выше, чем вероятность пере-

Sinωt

u(t;x)

(0)t

(ω)dω,

(1)

напряжения 35 кВ.

крытия ее изоляции напряжением рельсо-

∫

π₀

Установлено, что при максимальном

вый путь - земля. Пробивное напряжение

где S_x(ω) = Im[z_x(jω)] - нечетная функция

значении тока молнии Iм = 30 кА вероят-

изоляции контактной сети появляется с не-

входного сопротивления рельсового пути

ность возникновения обратного пере-

которым запаздыванием, а проведенная

относительно удаленной земли.

крытия при ударе молнии в вершину

без учета запаздывания оценка эффектив-

Полученные результаты о мгновенных

опоры, заземленную на нулевую точку

ности грозозащиты контактной сети, ЛЭП

значениях напряжений рельсы - земля

путевого дроссель-трансформатора

дает заниженный результат.

в импульсном режиме позволяют предло-

однопутного участка, не превышает ве-

Известно, что амплитуда тока молнии

жить расчетную схему замещения в виде

личины р₂ = 0,012. При среднем числе

зависит от сопротивления растекания

пассивного двухполюсника типа RL [2].

ударов молнии в контактную сеть про-

заземлителя R₃, через которое проходит

Прямые удары молнии в контактную

тяженностью 100 км, равном 30, сред-

разряд. Если z_м - волновое сопротивление

сеть или в землю в ее окрестностях вы-

нее число ударов молнии в контактную

канала тока молнии (zм » 300 Ом [5,7]), а I_м -

зывают перенапряжения, достаточные

сеть N_Л = 0,08·8,5·30=20. Таким образом,

максимальное значение импульса тока

для перекрытия изоляции нашедших при-

среднее число возникновения опасных

молнии, то расчетное значение I_мр тока

менение самонесущих изолированных

разрядов тока молнии в контактную сеть,

молнии, втекающего в заземлитель, равно

проводов (СИП) высоковольтных линий

вызывающих перекрытия изоляции СИП

автоблокировки.

ЛЭП 10 кВ напряжениями рельсы - земля,

≅

мр

Грозовые перенапряжения на СИП

равно одному в пять лет.

ЛЭП при их расположении на опорах кон-

Оценим работу изоляции высоко-

300

≅

тактной сети возникают по ряду причин.

вольтных линий автоблокировки при

300+

⋅

Основные из них следующие [2]:

разряде тока молнии непосредственно

При падении волны тока молнии на

••

вынос напряжения рельсовый

в провода линии.

ЛЭП происходит преломление волны, со-

путь - земля на изоляцию ЛЭП при раз-

Линия длиной L принимает на себя

провождающееся растеканием тока по

ряде тока молнии в контактную сеть;

разряды в среднем с площади S = 8hL,

проводам в обе стороны от точки разряда.

••

прямой удар тока молнии в провод

где h - средняя высота подвеса прово-

Амплитуда преломленных волн равна

(чаще всего в крайний с полевой сторо-

да. В России число поражений одного

300

ны) ЛЭП;

квадратного километра земной поверх-

≅

⋅

м1=

мр

300+2⋅200

••

перенапряжения на изоляции ЛЭП

ности в один грозовой день в среднем

при разряде тока молнии в землю, то есть

равна 0,1. Следовательно, среднее число

≅

0,56251

вблизи электрифицированного участка.

прямых ударов молнии в один грозовой

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Ток, протекающий по ЛЭП (в резуль-

Окончательно удельное число отклю-

Отметим, что использование для ка-

тате разряда молнии) непосредственно

чений СИП ЛЭП 10 кВ получается равным

нализации тока молнии свободных жил

вблизи точки разряда, аппроксимируем

n = 0,043. Следовательно, число отключе-

кабеля связи повышает надежность рабо-

выражением [2]

ний СИП ЛЭП 10 кВ при прямом ударе мол-

ты системы. Однако эффективность этой

−αt

нии в крайнюю фазу ЛЭП незначительно.

системы недостаточна.

⋅e

⋅sinωt

(4)

Проанализируем перенапряжения

Ниже предлагается система грозоза-

Параметры α и ω определяются по

в ЛЭП, возникающие при разряде молнии

щиты, заземления высоковольтных и низ-

методике, изложенной в [2].

в землю, произошедшем в окрестностях

ковольтных устройств автоблокировки

Пусть l₁ - расстояние от опоры до

контактной сети.

на сигнальной точке, удовлетворяющая

места втекания тока молнии в ЛЭП, v -

При развернутой длине участка

требованиям нормативных документов

скорость распространения электромаг-

l = 100 км и n = 30 число ударов молнии

[9]. Принципиальным отличием схемы,

нитной волны (v » 200¸220) м/мкс [7]).

в землю, при которых в ЛЭП индуктиру-

представленной на рис. 1, от известных

Тогда напряжение на изоляции опоры

ются перенапряжения, превышающие

является отказ от использования рельсо-

(в интервале времени от прихода к опоре

U_50%,равно [6]

вого пути в качестве естественного зазем-

волны напряжения до момента пробоя

50%

ления для подключения грозозащитных

−

4700

изоляции) описывается выражением

260

устройств.





50%

Согласно [9, 10] при обосновании





−α

−











Так, для СИП ЛЭП 10 кВ при U_50% = 275 кВ

схемы защиты высоковольтных и низ-









⋅e

⋅sin



−



⋅ z

ковольтных устройств автоблокировки

оп





NЗ ≈^{6 ударов в год.}











Полученное значение числа перекры-

необходимо выполнить ряд требований.

Будем считать, что изоляция проби-

тий СИП ВЛ 10 кВ при разряде токов в зем-

К ним относятся необходимость обеспе-

вается через время t₃ ≈ 0,05÷0,075 мкс.

лю существенно превышает число возмож-

чения надежной работы рельсовых цепей

После достижения напряжением на изо-

ных отключений линии как при прямом

и исключение появления в электроуста-

ляции опоры величины, соответствующей

разряде тока молнии в СИП ВЛ 10 кВ, так

новках связи перенапряжений, превы-

50-процентному импульсному разрядному

и напряжениями рельсовый путь - земля

шающих допустимый уровень по исклю-

напряжению изоляции (U_50%),время t', за

при стекании тока молнии с рельсового

чению пробоя изоляции низковольтных

которое пришедшее на опору напряжение

пути в случае разряда в контактную сеть.

сетей и аппаратов. В качестве расчетных

U_оп достигает величины U_50%, находится

режимов принимаются короткие замы-

из соотношения

Защита высоковольтных

кания в тяговых сетях и разряды токов





и низковольтных устройств

молнии в контактную сеть, воздушные





−α

−

автоблокировки









провода высоковольтных линий (ЛЭП)















на сигнальной точке

⋅ z

⋅e

⋅sin ω

−

автоблокировки.

50%













Проблема обеспечения электромаг-

При внедрении системы заземления

Общее время t_np с момента разряда

нитной совместимости устройств связи

и грозозащиты устройств автоблокировки

молнии до момента пробоя изоляции на

и автоблокировки весьма актуальна.

напряжением до и свыше 1000 В на сиг-

опоре с незначительной погрешностью

Анализ статистических данных пока-

нальной точке должны быть обеспечены

равно

зывает, что довольно часто возникает

условия электробезопасности.

пробой изоляции кабелей связи в гро-

Перечисленные требования выпол-

50%

−

⋅ln

зовой период [2].

няются, если в основу создания системы

пр

⋅ z

Вероятность р₂ определяется вероят-

ностью возникновения молнии с током,

50%

превышающим

, и рассчиты-

вается по формуле [5, 6]

^U50%

−

293

0,9

Так, применительно к ЛЭП 10 кВ при

протяженности линии l =100 км

=100⋅0,051⋅30⋅

сип

пр

=100⋅0,051⋅30⋅0,9⋅0,003=0,062

Для СИП ЛЭП 10 кВ удельное число

отключений, обусловленных прямым раз-

рядом непосредственно в крайнюю фазу,

рассчитывается по формуле

50%

−

Рис. 1. Предлагаемая схема защиты высоковольтных и низковольтных устройств авто-

⋅e

2936

⋅

0,046⋅е

2936

пр

блокировки на сигнальной установке (приведенные на рисунке обозначения указаны в [9])

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

заземления и грозозащиты устройств ав-

изолирующими втулками и прокладками.

зоновой защиты, основанной на деле-

тоблокировки на сигнальной точке по-

Сигнальные кабели с неметаллической

нии объекта на условные защитные зоны

ложить ряд принципов. Первым из них

оболочкой следует изолировать с помо-

и применении специальных устройств

является создание эквипотенциальных

щью снятия бронеленты [11].

защиты от перенапряжений.

условий в зонах расположения электро-

В России устройство системы грозоза-

установок связи и нахождения обслужива-

Защита устройств

щиты регламентируется Инструкцией по

ющего их персонала. Вторым принципом,

электрической централизации

устройству молниезащиты зданий, соору-

положенным в обоснование системы за-

от коммутационных

жений и промышленных коммуникаций,

перенапряжений

земления, грозозащиты электроустановок

внесенной в реестр действующих в элек-

автоблокировки напряжением до и свыше

Нормативная база по системам защи-

троэнергетике нормативно-технических

1000 В, является снижение импульсных

ты от грозовых и коммутационных пере-

документов в соответствии с приказом

перенапряжений за счет использования

напряжений для сетей электроснабжения

РАО «ЕЭС России» № 422 от 14.08.2003 под

заземляющих устройств, сопротивление

напряжением до 1000 В в настоящее вре-

номером СО-153-34.21.122-2003 взамен

растеканию которых не превышает нор-

мя разработана недостаточно.

Инструкции по устройству молниезащиты

мируемого значения [9, 11].

В ПУЭ (7-е изд., п. 7.1.22) содержится

зданий и сооружений РД 34.21.122-87.

Для защиты линейного трансформато-

следующее требование: «…При воздуш-

Для защиты потребителей от перена-

ра типа ОМ от внешних коммутационных

ном вводе должны устанавливаться огра-

пряжений, возникающих при стекании

перенапряжений на той же опоре, где

ничители импульсных перенапряжений».

токов молнии с заземлителя или при воз-

смонтирован однофазный трансформатор,

Технически комитетом ТС-81 «Lightning

никновении волны перенапряжения по

устанавливаются два высоковольтных ОПН,

protection - молниезащита» международ-

питающей сети, применяют устройства

которые присоединяются к тем же прово-

ной электротехнической комиссии МЭК

защиты от перенапряжений (УЗП).

дам линии, что и трансформатор типа ОМ.

разработаны стандарты, определяющие

В России стандартом ГОСТ Р 51992-

Заземление ОПН осуществляется на

принципы защиты от волновых перена-

2002 (МЭК 61643-1-98) регламентирована

заземляющее устройство (ЗУ). ЗУ выпол-

пряжений зданий и сооружений различно-

трехступенчатая зонная схема установ-

нено в виде параллельно включенных

го назначения - IEC-62305-1-2-3-2006-01,

ки УЗП. Классы УЗП для низковольтных

выравнивающих контуров (заземляющих

вступивших в действие в январе 2006 года.

электрических сетей, методики их испыта-

сеток - ЗС) и двух расположенных в земле

В данных стандартах принята концепция

ний и принципы применения приведены

стальных полос. Заземляющие сетки вы-

полняются с числом ячеек на стороне не

более двух. Сопротивление растеканию

ЗС не нормируется. Глубина заложения

ЗС колеблется в узких пределах (0,3-0,4

м). ЗС посредством двух металлических

полос при необходимости вблизи рас-

положения кабельного ящика присоеди-

няются к искусственному заземлителю.

Корпус релейного шкафа заземляется на

металлические полосы. Использовать ме-

таллический корпус РШ для заземления

грозозащитных разрядников, находящих-

ся в РШ, не разрешается.

Низковольтные разрядники типа ОПН

включаются до автоматического выклю-

чателя типа АВ 10/2 и располагаются в ка-

бельном ящике.

Защитное и рабочее заземление, к ко-

торому подключены с высокой и низкой

стороны грозозащитные разрядники, со-

единены с искусственным заземлителем,

выполненным в виде заземляющей сетки.

Назначение заземляющей сетки - обе-

спечить условия электробезопасности

персонала за счет снижения коэффици-

ента прикосновения [10].

Во избежание повреждения кабелей

при коротком замыкании в тяговой сети

напряжениями рельсы - земля металли-

ческая оболочка и броня кабеля должны

быть надежно изолированы от корпуса

Рис. 2. Схема защиты силовой цепи напряжением 380/220 В на посту ЭЦ

релейного шкафа (мачты светофора)

при однофазных изолирующих трансформаторах

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

в стандарте МЭК 61643-12 (2002). Данные

и низковольтных устройств автоблоки-

«Электроснабжение магистральных желез-

документы устанавливают классы УЗП I,

ровки на сигнальной точке, постов ЭЦ.

ных дорог». Доктор технических наук, про-

II и III, в зависимости от места установки

Принципиальным отличием предложен-

фессор. В 1999 году защитил диссертацию по

и способности пропускать различные

ной схемы от известных является отказ

теме «Методы и средства обеспечения эко-

импульсные токи. Тип УЗП и схема их

от использования рельсового пути в ка-

логической безопасности в зонах электро-

установки выбираются на основе оценки

честве естественного заземления для

магнитного влияния электрифицированных

риска прямого удара молнии или уровня

подключения грозозащитных устройств.

железных дорог переменного тока». В на-

наводок от удаленного разряда. Пере-

стоящее время работает первым заместите-

численным выше требованиям обеспе-

Литература

лем генерального директора АО «ВНИИЖТ».

чения электромагнитной совместимости

1. Маркова Е.В., Лисенков А.Н. Планирова-

Автор более 100 публикаций и 15 авторских

системы тягового электроснабжения пере-

ние эксперимента в условиях неоднородно-

свидетельств и патентов.

менного тока и устройств электрической

стей. - М.: Наука, 1973. - 220 с.

централизации и ключевой зависимости

2. Косарев А.Б. Основы теории электро-

Косарев Борис Иванович

стрелок и сигналов удовлетворяет схема,

магнитной совместимости систем тягового

Родился в 1940 году. В 1962 году окончил Мо-

представленная на рис. 2 (при однофазных

электроснабжения переменного тока. - М:

сковский государственный университет пу-

изолирующих трансформаторах).

Интекст, 2004. - 272 с.

тей сообщения (МИИТ) по специальности «Те-

Отсутствие металлической связи

3. Рябкова Е.Я. Заземление в установках высо-

плоэнергетические установки электростан-

между рельсами и заземлителем поста

кого напряжения. - М.: Энергия, 1978. - 224 с.

ций». Доктор технических наук, профессор.

ЭЦ практически исключает протекание

4. Косарев А.Б., Косарев Б.И., Сербинен-

В 1979 году защитил диссертацию по теме

тяговых токов по его кабельным линиям.

ко Д.В. Электромагнитные процессы в си-

«Электрификация железных дорог». В насто-

При разряде токов молнии в воздуш-

стемах энергоснабжения железных дорог

ящее время работает профессором кафедры

ные провода системы электроснабжения

переменного тока. - М.: ООО «ВМГ-Принт»,

«Электроэнергетика транспорта» РУТ (МИИТ).

нетяговых потребителей (система элек-

2015. - 348 с.

Автор более 300 научных трудов, имеет свы-

троснабжения ДПР, ДПИЗ, ВЛ 10 кВ и т.д.)

5. Долгинов А.И. Техника высоких напря-

ше 125 авторских свидетельств и патентов.

срабатывают грозозащитные устройства

жений в электроэнергетике. - М.: Энергия,

Заслуженный деятель науки России.

трансформаторных подстанций, а также

1968. - 464 с.

ОПН, расположенные непосредственно

6. Разевиг Д.В. Атмосферные перенапряже-

Kosarev Alexander

на входе здания ЭЦ.

ния на линиях связи. - М.: ГЭИ, 1959. - 369 с.

Was born in 1964. In 1986 he graduated from

Предложенная система грозозащиты

7. Радченко В.Д. Техника высоких напряже-

Moscow State University of Railway Engineering

и заземления постов ЭЦ решает проблему

ний. - М.: Наука, 1976. - 467 с.

(MIIT) with specialization in Electrical supply of

электро- и пожаробезопасности. Сказан-

8. Косарев А.Б., Косарев Б.И. Электромагнит-

main railway lines. He is a doctor of engineering,

ное достигается внедрением для питания

ная совместимость устройств электропитания

professor. In 1999 he defended a thesis in the

постов ЭЦ системы TN-C-S с установкой

систем железнодорожной автоматики с тяго-

subject Methods and means of environmental

устройств защитного отключения (УЗО).

выми сетями. - М.: ВИНИТИ. Транспорт. Наука,

security in electromagnetic interference zones

Возникающие в электроустановках

техника, управление, 2004, № 7. - 31-34 с.

of AC electrified railroads. At present he works

постов ЭЦ короткие замыкания надежно

9. Руководящие указания по защите от пере-

as 1-st general director’s deputy of JSC VNIIZhT.

отключаются соответствующими автома-

напряжений устройств СЦБ. - М.: Транспорт,

He has more than 100 publications, 15 author’s

тическими выключателями.

1990. - 64 с.

certificates and patents.

10. Косарев А.Б., Косарев Б.И. Основы элек-

Выводы

тромагнитной безопасности систем электро-

Kosarev Boris

Число перекрытий СИП ЛЭП 10 кВ при

снабжения транспорта. - М.: Интекст, 2008. -

Was born in 1940. In 1962 he graduated from

разряде токов в землю вблизи рельсово-

480 с.

Moscow State University of Railway Engineer-

го пути существенно превышает число

11. Правила

(инструкция) по заземлению

ing (MIIT) with a degree in Heat and power

возможных отключений линии как при

устройств электроснабжения на электрифи-

machines of electrical power plants. In 1979 he

прямом разряде тока молнии в СИП ЛЭП

цированных железных дорогах. - М.: Транс-

defended the thesis on the topic Railways elec-

10 кВ при их расположении на опорах

порт, 1993. - 68 с.

trification. At the present time he works as a pro-

контактной сети, так и напряжениями

fessor of Electric power of transport department

рельсовый путь - земля при разряде

Косарев Александр Борисович

of the Russian University of Transport (MIIT).

в контактную сеть.

Родился в 1964 году. В 1986 году окончил

He is the author of 300 publications, more than

Обоснована система грозозащи-

Московский государственный университет

125 copyright certificates and patents. He is an

ты и заземления высоковольтных

путей сообщения (МИИТ) по специальности

honored academic figure of Russia.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Сопротивление стягивания

одноточечного контакта

// Resistance of tightening of single-point contact //

Люминарская Е.С., к. т.н.,

Указанная формула не учитывает вли-

Люминарский С.Е., к. т.н., доцент,

яние размеров одиночного выступа на

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва

сопротивление стягивания.

Целью данной работы является разра-

В статье рассмотрена математиче-

In article the mathematical model of

ботка уточненной методики определения

ская модель определения электрического

determination of electrical resistance of

сопротивления стягивания одноточечного

сопротивления стягивания одното-

tightening of single-point contact at a direct

электрического контакта при постоянном

чечного контакта при постоянном

current is considered. The offered model is

токе и получение зависимости сопротив-

токе. Предложенная модель основана на

based on the solution of the equations of

ления стягивания от радиуса пятна кон-

решении уравнений электрического поля

electric field of a direct current in the con-

такта, высоты и ширины выступа.

постоянного тока внутри проводника.

ductor. Calculations are executed by a finite

Расчеты выполнены методом конечных

element method with use of ring elements

Математическая модель

элементов с использованием кольцевых

of the first order. Dependences of electrical

Для теоретического исследования

элементов первого порядка. Получены

resistance of tightening on characteristics of

влияния различных параметров на со-

зависимости электрического сопротив-

a single ledge are received: radius of a spot

противление стягивания одноточечного

ления стягивания от характеристик

of contact, height and width of a ledge.

контакта исследовался цилиндрический

одиночного выступа: радиуса пятна кон-

Keywords: roughness, electric contact, elec-

такта, высоты и ширины выступа.

trical resistance of tightening, lines of cur-

проводник радиусом R (рис. 1) со сфе-

Ключевые слова: шероховатость, элек-

rent, contact spot, potential of electric field.

рической формой вершины выступа.

трический контакт, электрическое со-

При этом предполагалось, что форма

противление стягивания, линии тока,

и размеры вершины и впадины выступа

пятно контакта, потенциал электри-

одинаковые (рис. 2). Поверхность иссле-

ческого поля.

дуемой неровности состоит из следую-

щих частей: 1 - круг радиусом a (пятно

Важнейшей задачей повышения на-

отдельного выступа обусловлено стягива-

контакта двух взаимодействующих вы-

дежности радиоэлектронной аппаратуры

нием линий тока к площадке контакта. На

ступов); 2 - сферическая поверхность

является предупреждение сбоев и отказов

участках квазиметаллического контакта

радиусом r (вершина выступа); 3 - ко-

в работе электрических контактов. Роль

переходное сопротивление выступа об-

нусная поверхность (переходная часть

электрических контактов в современной

условлено сопротивлением стягивания

между вершиной и впадиной выступа);

технике возрастает в связи с использова-

и сопротивлением поверхностной пленки.

4 - сферическая поверхность радиусом

нием большого их количества и миниатю-

Разработка уточненной методики

r; 5 - цилиндрическая поверхность ра-

ризацией электронных устройств.

определения переходного сопротивления

диусом R. Длина цилиндрической части

Теории электрических контактов

является актуальной задачей, решение

L определяется из условия невлияния

посвящены работы зарубежных ученых

которой снизит тепловыделение и повы-

Р. Хольма [1], В. Мерла [2], труды советских

сит надежность электрических контактов.

авторов В.В. Измайлова [3], А.П. Левина [4],

Переходное сопротивление элек-

Б.С. Сотскова [5] и др. [6-13]. Во всех ра-

трических контактов во многом опре-

ботах электрический контакт представлен

деляется сопротивлением стягивания,

в виде контакта двух шероховатых поверх-

т. е. стягиванием линий тока к пятнам

ностей. Выступы двух поверхностей об-

контакта. Впервые это явление было

разуют множество пятен контакта, через

описано американским ученым Р. Холь-

которые протекает электрический ток.

мом [1]. Р. Хольм получил формулу для

Основным критерием качества кон-

определения сопротивления стягивания

тактов является переходное сопротивле-

одноточечного контакта с круглым пят-

ние. Из анализа указанных работ следует,

ном контакта

что переходное сопротивление состоит

R_S = ρ/(2a),

из сопротивлений отдельных выступов,

соединенных параллельно. На участках

где ρ - удельное сопротивление матери-

металлического контакта сопротивление

алов контакта; a - радиус пятна контакта.

Рис. 1. Одноточечный контакт

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

[

S ⋅[φ

,]Т

= 0.

(6)

Решаемая пространственная задача

является осесимметричной, поэтому ис-

пользуются треугольные кольцевые ко-

нечные элементы первого порядка. В этом

случае матрица коэффициентов влияния

элемента равна:

[

]

=V⋅

[

]

⋅

[

]

−1

1



0

0





[

]

⋅

(7)









Рис. 2. Форма выступа одноточечного контакта: а - осевое сечение половины выступа;





1



б - изометрическое изображение четверти выступа

где r_i, z_i - цилиндрические координаты

этого размера на сопротивление стя-

φ −φ

(φ −φ

)

узлов элемента;

⋅ρ ,

гивания. В этом случае линии тока на

)

∇φ⋅n

2π

F– объем кольце-

поверхности A будут направлены вдоль

оси проводника.

cyl

вого элемента;

=ρ

(4)

Для случая постоянного тока уравне-

F - площадь треугольного элемента.

ния электрического поля внутри прово-

где R_AB - сопротивление участка провода

Для одного проводника используется

дника имеют вид [14]:

от сечения A до сечения B (рис. 1); R_AB -

более 50000 конечных элементов. В пре-

сопротивление проводника цилиндри-

делах одного элемента потенциал изме-



rotE

0, div δ=0, δ= E,

(1)

ческой формы длиной L и радиусом R;

няется по линейному закону, а градиент



ρ - удельное сопротивление материала

потенциала является постоянным. Про-

где Е^→ - напряженность электрического

проводника; I - сила тока в проводнике;

екция градиента потенциала конечного

поля; δ^→ - плотность тока проводимости;

S_A = πR² - площадь поверхности А по-

элемента на ось симметрии z вычисляется

ρ - удельное сопротивление материала

перечного сечения проводника; n^→ - еди-

по формуле

проводника.

ничный вектор, направленный вдоль оси

Первое уравнение системы (1) указы-

симметрии z.

.(8)

вает на то, что электрическое поле внутри

Для уменьшения независимых пара-

проводника является потенциальным.

метров вводится понятие относительного

Следовательно,

сопротивления стягивания

Результаты теоретических

исследований

E=∇φ

(2)

⋅

(5)

На рис. 3 представлены зависимости

где φ - потенциал электрического поля;

Из выражений (4) следует, что R*S за-

относительного сопротивления стягива-

∇→ - оператор Гамильтона.

висит только от трех относительных па-

ния одного проводника от относительного

Из уравнений (1) и (2) следует, что

раметров: a^* = a/b, h^* = h/b, b^* = b/R.

радиуса пятна контакта a^* при различных

распределение потенциала φ(ψ, r, z) по

При определении R*S длина цилиндри-

значениях h^* и b^* = 0,83. В этом случае ра-

проводнику описывается уравнением

ческой части проводника принимается

диус b сечения неровности на середине

Лапласа [14]

равной L = 0,8R. В этом случае ток на

высоты выступа (рис. 2) близок к радиу-

поверхности A распределен практиче-

су проводника R. Из рисунка видно, что

Δφ = 0.

(3)

ски равномерно, а линии тока параллель-

при a^*<0,1 сопротивление стягивания

При определении сопротивления

ны оси проводника. Величина радиуса

можно вычислять по формуле Хольма.

стягивания одноточечного контакта

сферических поверхностей r оказывает

Тогда

^∗ =

⋅

=0, 25

(кривая 4).

(рис. 1) на границах выделенной части

незначительное влияние на R_S. По данным

проводника (рис. 2) задаются следую-

[16], эквивалентный радиус

щие граничные условия: на поверхности

кривизны вершин выступов

A - φ = φ_А; на поверхности B - φ = φ_В;

r = (5…50) h. В проводимых

на остальных поверхностях n→ . →φ = 0.

расчетных исследованиях

Первые два условия называются

радиус сферических поверх-

граничными условиями Дирихле, тре-

ностей 2 и 4 (рис. 2) прини-

тье - однородными естественными

мается равным r = 30h.

граничными условиями Неймана. При

Распределение элек-

решении задачи методом конечных эле-

трического потенциала

ментов условия Неймана выполняются

определяется методом

автоматически.

конечных элементов [15].

Сопротивление стягивания одного

Значения потенциалов по

из контактирующих тел определяется по

узлам конечного элемента

Рис. 3. Относительное сопротивление стягивания при

формуле:

удовлетворяют уравнению

b* = 0,83: 1 - h^*=0,2; 2 - h^*=0,6; 3 - h^*=1,0; 4 - по Хольму

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Литература

15. Сильвестр П., Феррари Р. Метод конечных

1. Хольм P. Электрические

элементов для радиоинженеров и инжене-

контакты. - М.: Иностр. лит.,

ров-электриков. - М.: Мир, 1986. - 229 с.

1961. - 464 с.

16. Демкин Н.Б.., Рыжов Э.В. Качество поверх-

2. Мерл В. Электрический

ности и контакт деталей шин. - М.: Машино-

контакт.

- М.-Ленингр.: Гос

строение, 1981. - 244 с.

энергоиздат, 1962. - 81 с.

3. Измайлов В.В., Новосело-

Люминарская Екатерина Станиславовна

ва М.В. Контакт твердых тел

Родилась в

1988 г. Доцент кафедры ФН-7

и его проводимость: моногра-

«Электротехника и промышленная электро-

фия. - Тверь: ТГТУ, 2010. - 112 с.

ника» МГТУ им. Н.Э. Баумана, кандидат техни-

4. Левин А.П. Контакты элек-

ческих наук. Основное направление научных

трических соединителей ра

исследований связано с выявлением скры-

Рис. 4. Относительное сопротивление стягивания при

диоэлектронной аппарату-

тых дефектов в современных электрических

b* = 0,17: 1 - h^*=0,2; 2 - h^*=0,6; 3 - h^*=1,0; 4 - по Хольму

ры. –М.:Сов.радио,1972.–216с.

и электронных цепях транспортных средств.

При увеличении относительного радиуса

5. Сотсков Б.С. Основы расчета и проектиро-

Имеет более 25 научных трудов, из них 11 ста-

ã пятна контакта R*S уменьшается, что свя-

вания электромеханических элементов авто-

тей в журналах, рекомендованных ВАК РФ,

зано с уменьшением искривления линий

матических и телемеханических устройств. -

1 статья, индекстрованная в базе SCOPUS, и 6

тока. Рост относительной высоты h^* приво-

М.-Ленингр., 1965. - 576 с.

патентов на полезную модель (в соавторстве).

дит к увеличению R*S. При h^* ≥ 1 и b^* > 0,7

6. Мышкин Н.К., Кончиц В.В., Браунович М.

относительное сопротивление стягивания

Электрические контакты.

- Долгопрудный:

Люминарский Станислав Евгеньевич

не зависит от величин a^*, h^* и может опре-

Интеллект, 2008. - 560 с.

Родился в 1960 г. Доцент кафедры РК2 «Теория

деляться по формуле Хольма R*S = 0,25.

7. Люминарская Е.С., Дианов В.Н. Математи-

механизмов и машин» МГТУ им. Н.Э. Баумана,

На рис. 4 представлены зависимо-

ческая модель слаботочных электрических

кандидат технических наук, доцент. Основное

сти R*S от a^* при различных значениях

контактов при сбое // Динамика сложных си-

направление научных исследований связано

h^* для случая, когда радиус b сечения

стем - ХХI век. 2014, т. 8. - С. 73-78.

с исследованием зубчатых механизмов. Име-

неровности на середине высоты выступа

8. Люминарская Е.С., Дианов В.Н. Матема-

ет более 25 научных трудов, из них 17 статей

(рис. 2) значительно меньше радиуса

тическая модель переходной зоны слабо-

в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 ста-

проводника R (b^* = 0,17). Увеличение

точных электрических контактов в условиях

тьи, индексированных в базе SCOPUS.

радиуса пятна контакта приводит к уве-

запыленности // Электроника и электрообо-

личению относительного сопротивле-

рудование транспорта, 2016, № 3. - С. 13-15.

Luminarskaya Ekaterina

ния стягивания R*S. При малой высоте

9. Иванов И.А., Киселев И.Г., Урушев С.В.

Born in 1988, associate Professor in the De-

неровности (h^* < 2) относительное

Переходное электрическое сопротивление

partment “Industrial electronics and Electrical

сопротивление стягивания не зави-

контактов с учетом шероховатости поверхно-

engineering” of the Bauman MSTU, candidate

сит от величин a^*, h^* и может опреде-

сти // Электротехника, 2017, № 10. - С. 33-36.

of technical Sciences. The main direction of

ляться по формуле Хольма R*S = 0,25.

10. Левыкин Д.А. Математическая модель

scientific research is associated with the detec-

электрического контакта шероховатых по-

tion of hidden defects in modern electrical and

Выводы

верхностей // Программные продукты, 2011,

electronic circuits of vehicles. Нas more than 25

1. На электрическое сопротивление

№ 4. - С. 43.

scientific papers, including 11 articles recom-

стягивания одноточечного контакта

11. Лугин А.Н. Теория электрических контак-

mended by Higher Attestation Commission of

оказывают влияние не только радиус

тов в аспекте электропроводности резистив-

the Russian Federation, 1 article indexed in the

пятна контакта, но также высота и шири-

ных пленок // Известия высших учебных заве-

SCOPUS database, and 6 patents for utility mod-

на выступа.

дений. Электроника, 2012, № 3. - С. 33-39.

el (in co-authorship).

2. При малом радиусе пятна контак-

12. Мурашов М.В., Панин С.Д., Климов С.М.

та a < 0,1b (рис. 2) погрешность опре-

Численное моделирование электрической

Lyuminarsky Stanislav

деления сопротивления стягивания по

проводимости контактов шероховатых

Was born in 1960, аssociate Professor in the

формуле Хольма не превышает 3%.

тел // Машиностроение и компьютерные тех-

Department

«Theory of Mechanisms and

3. В зависимости от высоты высту-

нологии, 2015, № 1. - С. 189-200.

Machines» of the Bauman MSTU, candidate

па увеличение радиуса пятна контакта

13. Ефименко А.А., Мерлян С.В. Переходное

of Technical Sciences. The main direction of

может приводить как к увеличению,

контактное сопротивление в электрических

scientific research is connected with a re-

так и к уменьшению относительного

соединениях с плоскими контактами // Тех-

search of gear mechanisms. Has more than 25

сопротивления стягивания.

нология и конструирование в электронной

scientific works, from them 17 articles in the

4. Рост высоты выступа увеличива-

аппаратуре, 2013, № 4. - С. 3-7.

magazines recommended to VAK of the Rus-

ет относительное сопротивление стя-

14. Никольский В.В. Теория электромагнитно-

sian Federation, 2 articles, indekstrovanny in

гивания.

го поля. - М.: Высшая школа, 1961. - 370 с.

SCOPUS base.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Определение реактивных параметров

трехфазного корректора

коэффициента мощности

// Determination of reactive parameters of the three-phase PFC //

Сорокин Д.А.,

коэффициента мощности (рис. 1) содер-

Вольский С.И., д. т.н., профессор,

жит шесть входных реакторов (L1…L6),

Московский авиационный институт

шесть транзисторов (VT1…VT6), двенад-

(Национальный исследовательский университет), Москва

цать диодов (VD1…VD12), два выходных

конденсатора (С1 и С2) и нагрузку R [3].

В статье приведены способы опреде-

The article provides methods for calculat-

Рассмотрим функционирование

ления требуемых значений индуктив-

ing the required values of the inductance

силовой схемы посредством анализа

ности и емкости силового активного

and capacitance of a power active rectifier

электромагнитных процессов, протека-

выпрямителя, работающего в режиме

operating in the PFC mode. The calculating

ющих в элементах, связанных с фазой «А»

коррекции коэффициента мощности.

of the inductance of the input chokes are

трехфазного входного источника сетевого

За основу расчета индуктивности вход-

based on the specified value of the required

напряжения.

ных дросселей взято заданное значение

ripple range of the input phase currents.

Предположим, что в рассматриваемый

требуемого размаха пульсаций входных

Here with the effect of low-frequency volt-

интервал времени фазное напряжение

фазных токов. При этом показано вли-

age ripple of power capacitors on the har-

источника E_a имеет положительное значе-

яние низкочастотных пульсаций напря-

monic composition of the input phase cur-

ние. При замыкании транзистора VT1 ток

жения силовых выходных конденсато-

rents is described. It is formed the basis for

начинает протекать по контуру «+» E_a -

ров на гармонический состав входных

calculating the required capacitance value

фазных токов, что легло в основу опре-

of power output capacitors.

L1 - VD1 - VT1 - «-» E_a, и, соответственно,

деления требуемого значения емкости

Keywords: PFC, Vienna-rectifier, reactive

ток в реакторе L1 начинает возрастать.

выходных конденсаторов.

parameters, voltage ripple.

После размыкании транзистора VT1 ток

Ключевые слова: корректор коэффици-

будет протекать по контуру «+» Ea - L1 -

ента мощности, Виенна-выпрямитель,

VD7 - С1 - «-» E_a, и, соответственно, ток

реактивные параметры, пульсации

в реакторе L1 начинает спадать. При этом

напряжения.

в данном интервале времени через эле-

менты L6, VD2, VD12 и VT2 ток не протекает.

В настоящее время существуют стро-

преобразователя становится избыточной.

В течение следующего интервала вре-

гие требования к гармоническому составу

Очевидно, что при таком подходе мини-

мени, когда фазное напряжение источника

токов, потребляемых статическими пре-

мально необходимое значение емкости не

имеет отрицательное значение, замы-

образователями электроэнергии, которые

рассчитывается. В настоящее время полу-

кание транзистора VT2 приводит к про-

подключены к сети трехфазного перемен-

чили развитие пленочные конденсаторы,

теканию тока по электрическому контуру

ного тока промышленной частоты [1, 2].

которые имеют относительно большие

«+» E_a - VT2 - VD2 - L6 - «-» E_a и нарастанию

Этим обусловлена широкая востребован-

значения допустимых токов, но меньшие

тока реактора L6. Размыкание транзистора

ность так называемых трехфазных коррек-

удельные значения емкости. Данный фак-

VT2 приводит к протеканию тока по элек-

торов коэффициента мощности, которые

тор обуславливает возможность снижения

трическому контуру «+» E_a - С2 - VD12 -

осуществляют потребление входных фаз-

емкости выходных конденсаторов преоб-

L6 - «-» E_a и спаду тока реактора L6. При

ных токов, пропорциональных и синфаз-

разователей и, как следствие, необходи-

этом через элементы L1, VD1, VD2 и VT1

ных входным фазным напряжениям.

мость выработки критериев и способов

в рассматриваемом интервале времени

Трехфазные корректоры коэффи-

определения минимальных значений.

силовой ток не протекает.

циента мощности представляют собой

В данной статье предложены способы

Следует заметить, что выходные кон-

управляемые трехфазные выпрямители

определения требуемых минимальных

денсаторы C1 и C2 заряжаются током,

повышающего типа и содержат дроссели

значений индуктивности входных дроссе-

потребляемым из фазы «А», в течение

и конденсаторы. Наибольшее распростра-

лей и емкости выходных конденсаторов

положительных и отрицательных полу-

нение в такого рода преобразователях

трехфазного корректора коэффициента

волн фазного напряжения в интервалах

нашли электролитические конденсаторы,

мощности.

разомкнутого состояния транзисторов

обладающие относительно низкими зна-

VT1 и VT2 соответственно и разряжаются

чениями допустимых токов. Для достиже-

Описание силовой схемы

в нагрузку по электрическому контуру «+»

ния допустимых значений токов обычно

устройства

С1 - R - C2 - «-» С1.

увеличивают количество конденсато-

Рассматриваемая силовая схема

В силу симметрии схемы электро-

ров, вследствие чего выходная емкость

трехфазного активного корректора

магнитные процессы, протекающие

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

минимальное значение индуктивности

входных реакторов L1…L6 при заданном

размахе высокочастотной пульсации

входного тока.

Влияние величины емкости

выходных конденсаторов

на гармонический состав

входных фазных токов

Особенностью рассматриваемой си-

ловой схемы является наличие в напря-

жении выходных конденсаторов u_C1 и u_C2

низкочастотной составляющей утроенной

сетевой частоты.

Природа ее возникновения заключа-

ется в следующем. Выходной конденсатор

C1 заряжается положительными полу-

волнами входных фазных токов, проте-

кающих через диоды VD7-VD9. Выходной

конденсатор С2 заряжается отрицатель-

ными полуволнами входных фазных токов,

протекающих через диоды VD10-VD12.

В силу симметрии входных фазных токов,

обеспечиваемых законом коммутации

Рис. 1. Силовая схема трехфазного корректора коэффициента мощности

силовых транзисторов VT1-VT6, количе-

в остальных элементах схемы, подобны

Uсети. min - минимальное действующее

ство фаз, заряжающих выходные силовые

рассмотренным выше. При этом потре-

фазное значение сетевого напряжения;

конденсаторы, чередуется шесть раз за

бление фазных токов, синфазных и про-

U_DC - требуемое выходное напряже-

период сетевого напряжения. При этом

порциональных фазным напряжениям,

ние преобразователя;

низкочастотные составляющие напря-

обеспечивается законом коммутации

η - КПД преобразователя;

жений u_C1 и u_C2 выходных конденсато-

силовых транзисторов.

ров формируются в противофазе и после

fVT - частота коммутации транзисторов;

P_вых- выходная мощность преобра-

сложения мало присутствуют в выходном

Определение требуемой

зователя;

напряжении u_DC преобразователя, что

индуктивности

k₁ = 0,1 …0,3 - доля размаха высоко-

проиллюстрировано на рис. 2.

Трехфазные корректоры коэффи-

частотной составляющей тока дросселя

Однако низкочастотная составляющая

циента мощности, как правило, пред-

от наибольшего амплитудного значения

напряжения выходных конденсаторов

ставляют собой комбинацию элементов

тока низкочастотной составляющей.

транслируется в фазные токи, потребля-

неуправляемого выпрямителя и им-

Таким образом, выражение (1)

емые преобразователем из сети. Рас-

пульсного повышающего регулятора

позволяет определить требуемое

смотрим уравнение, соответствующее

постоянного напряжения. Известно, что

основным критерием выбора требуемой

индуктивности импульсных повышающих

регуляторов постоянного напряжения

является заданный размах высокочастот-

ной пульсации тока силового реактора

[4]. Аналогичный критерий используют

и для определения требуемой индуктив-

ности входного реактора однофазных

управляемых выпрямителей, работаю-

щих в режиме коррекции коэффициента

мощности [5]. Распространение упомя-

нутого критерия на рассматриваемую

силовую схему трехфазного корректора

коэффициента мощности привело к вы-

ражению:

√

(1)

где L - определяемая индуктивность вход-

Рис. 2. Кривые входных фазных токов (i_a, i_b, i_c) напряжений (u_C1, u_C2) на конденсаторах C1 и C2

ных реакторов L1…L6;

и выходного напряжения u_DC

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

интервалу времени накачки выходного

и выходной конденсатор С1 заряжается

Средний ток диода VD7 за интервал

конденсатора C1:

током, протекающим через диод VD7.

времени от t₁ до t₂ равен произведению

При этом интервал времени от t₁ до t₃

среднего фазного тока ia. ср1 и среднего

(2)

соответствует периоду низкочастотной

значения da. ср1 переключающей функции

Представим напряжение u_C1 (t) на вы-

пульсации напряжения u_C1 выходного

за указанный интервал времени. При этом

ходном конденсаторе С1 как сумму по-

конденсатора С1.

стоянной и переменной составляющей

Токи, протекающие через диоды VD7

и VD9, можно определить следующим

√

(3)

; (10)

образом:

где Δu_C1 - размах пульсации напряжения

(5)

выходного конденсатора C1;

ω = 2πf - угловая частота сетевого

√

. (11)

где

напряжения;

f - частота сетевого напряжения.

Соответственно, средний ток диода

С учетом того, что u_a(t) = E sin(ωt),

VD7 за интервал времени от t₁ до t₂ можно

из (2) и (3) найдем выражение для рас-

переключающая функция стойки, содер-

вычислить посредством выражения

чета тока фазы А, соответствующее ин-

жащей транзисторы VT1 и VT2;

. (12)

тервалу времени накачки выходного

конденсатора:

- переключа-

Средний ток диода VD7 за интервал

времени от t₂ до t₃ равен произведению

ющая функция транзистора VT1;

среднего фазного тока ia. ср2

и среднего

(4)

- переключа-

значения da. ср2 переключающей функции

где i_a(t_k-) - значение тока фазы А в момент

за указанный интервал времени. При этом

ющая функция транзистора VT2,

времени, предшествующий размыканию

транзистора VT1.

(6)

Анализ выражения (4) показывает,

√

;

(13)

что входные фазные токи, потребляемые

где

преобразователем, содержат третью гар-

моническую составляющую, пропорцио-

нальную пульсации напряжения на выход-

переключающая функция стойки, содер-

√

ных конденсаторах. При этом амплитуда

жащей транзисторы VT5 и VT6;

(14)

указанной составляющей фазного тока

может быть оценена коэффициентом при

- переклю-

Соответственно, средний ток диода

cos(3ωt). Выявленный фактор был взят

чающая функция транзистора VT5;

VD7 за интервал времени от t₂ до t₃ можно

за основу для критерия выбора мини-

вычислить посредством выражения

мального значения емкости выходных

- переклю-

. (15)

конденсаторов C1 и C2.

чающая функция транзистора VT6.

Как видно из рис. 2, в интервале вре-

Определение требуемой емкости

Первая гармоническая составляющая

мени от t₁ до t₂ средние значения токов

выходных конденсаторов

входного фазного тока вычисляется из

a и iс равны. Следовательно, средние

Как было упомянуто ранее, напряже-

выражения

значения токов, протекающих через ди-

ния на выходных конденсаторах С1 и С2

√

оды VD7 и VD9 в указанном интервале

(7)

содержат низкочастотную составляющую,

времени, также равны. На основании вы-

√

происхождение которой связано с пери-

где

- амплитуда входного

шесказанного определим средний ток,

одическим чередованием количества со-

фазного тока;

протекающий через диоды VD7-VD9 за

впадающих по знаку входных фазных токов

интервал времени от t₁ до t₃

Ua ^{- действующее значение сетевого}

и напряжений. Исходя из предположения

фазного напряжения.

.(16)

о симметричности питающего напряжения

Оценим первую гармоническую со-

и с учетом симметричности силовой схемы

ставляющую переключающей функции

Разница среднего тока, протекающего

рассматриваемого преобразователя была

d_a(t) следующим образом:

через диоды VD7…VD9 за интервал вре-

исследована генерация низкочастотной

мени от t₁ до t₃ и от t₁ до t₂, обуславлива-

(8)

переменной составляющей напряжения

ет пульсацию напряжения на выходном

входного конденсатора С1.

где d_min - минимальное значение коэф-

конденсаторе C1

В интервале времени от t₁ до t₂, по-

фициента заполнения импульсов тран-

. (17)

казанном на рис. 2, положительное зна-

зисторов, которое определяется действу-

чение имеют фазные токи i_a, i_с, и выход-

ющим значением сетевого напряжения

Размах пульсации напряжения на

ной конденсатор С1 заряжается токами,

и средним напряжением на выходном

конденсаторе С1 определим следующим

протекающими через диоды VD7 и VD9.

конденсаторе С1:

образом:

В интервале времени от t₂ до t₃ положи-

√

(9)

(18)

тельное значение имеет фазный ток i_a,

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Основываясь на принятом выше до-

фазных токов не будет превышать норми-

Литература

1. ГОСТ 30804.3.2-2013 Совместимость тех-

пущении о симметричности питающего

руемых значений:

нических средств электромагнитная. Эмиссия

напряжения, можно сделать вывод о ра-

√

;

(23)

гармонических составляющих тока техниче-

венстве размаха пульсаций напряжений

скими средствами с потребляемым током не

√

более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы

выходных конденсаторов С1 и С2:

(24)

испытаний. - М.: Стандартинформ, 2014. - 31 с.

(19)

2. ГОСТ 30804.3.12-2013 Совместимость тех-

нических средств электромагнитная. Нормы

Следует заметить, что коэффициент

Компьютерное моделирование

гармонических составляющих тока, создава-

при cos(3ωt) в выражении (4), содер-

влияния величины емкости

емых техническими средствами с потребляе-

мым током более 16 А, но не более 75 А (в од-

жащий размах пульсации напряжения

выходных конденсаторов

ной фазе), подключаемыми к низковольтным

на гармонический состав

на выходном конденсаторе, позволя-

распределительным системам электроснаб-

входных фазных токов

ет оценить амплитуду третьей гармо-

жения. Нормы и методы испытаний. - М.:

Стандартинформ, 2014. - 27 с.

ники потребляемого из сети тока. Го-

В программном комплексе Matlab -

3. Сорокин Д.А., Вольский С.И. Сопостави-

сударственные стандарты нормируют

Simulink была разработана компьютер-

тельный анализ схемотехнических решений

максимальные действующие значения

ная модель рассматриваемой силовой

трехфазных преобразователей AC/DC // Элек-

троника и электрооборудование транспорта,

гармонических составляющих потре-

схемы преобразователя, посредством

2018, № 5. - С. 10-15.

бляемого тока либо процентные соот-

которой была проанализирована следу-

4. Мелешин В.И. Транзисторная преобразова-

ношения гармонических составляющих

ющая функция:

тельная техника. - М.: Техносфера, 2006. - 632 с.

относительно основной гармонической

√

5. Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управ-

(25)

ление транзисторными преобразователями

составляющей потребляемого тока [1,

электроэнергии. - М.: Техносфера, 2011. - 411 с.

2]. Из выражений (4) и (17)…(19) было

Указанная функция отражает зависи-

выведено выражение для определения

мость доли третьей гармоники входных

Сорокин Дмитрий Александрович

Родился в 1992 году. В 2016 году окончил Мо-

амплитудного значения третьей гармо-

фазных токов от значения емкости вы-

сковский авиационный институт по специаль-

нической составляющей

ходных конденсаторов.

ности

«Управляющие, пилотажно-навигаци-

На рис. 3 приведены кривые данной

онные и электроэнергетические комплексы

(20)

функции

, полученные в результате

летательных аппаратов». Опыт работы - 5 лет.

В настоящее время является аспирантом ка-

В зависимости от нормируемого зна-

компьютерного моделирования и путем

федры «Электроэнергетические, электроме-

чения третьей гармонической составляю-

аналитического вычисления при раз-

ханические и биотехнические системы» МАИ.

щей потребляемого тока можно записать

личных значениях емкости выходного

Имеет 4 научных труда.

следующие выражения:

конденсатора.

Вольский Сергей Иосифович

Как видно из рис. 3, при определенном

Родился в 1961 году. В 1984 году окончил Мо-

(21)

√

снижении значения емкости выходно-

сковский авиационный институт по специаль-

где I_{З. норм} - нормируемое максимальное

го конденсатора начинает существенно

ности

«Электрооборудование летательных

аппаратов». Доктор технических наук, про-

действующее значение третьей гармо-

вырастать доля третьей гармонической

фессор. В 2002 году защитил диссертацию по

нической составляющей потребляемого

составляющей входного фазного тока.

теме «Разработка перспективных электротех-

тока;

нических комплексов транспортных средств

на базе высоковольтных высокочастотных ста-

k_{б. З} = 0,2…0,5 - коэффициент запаса.

Выводы

тических преобразователей». Опыт работы -

Соответственно,

1. Анализ электрических процессов

27 лет. В настоящее время работает профессо-

в рассматриваемой силовой схеме трехфаз-

ром кафедры «Электроэнергетические, элек-

(22)

ного корректора коэффициента мощности

тромеханические и биотехнические системы»

МАИ. Имеет 107 научных трудов, 20 авторских

где

- нормируемое максимальное

показал, что малая величина емкости вы-

свидетельств и патентов на полезную модель.

значение отношения действующих значе-

ходных конденсаторов существенно влияет

ний основной и третьей гармонических

на гармонический состав входных фазных

Sorokin Dmitry

He was born in 1992. In 2016 he graduated from

составляющих потребляемого тока.

токов, потребляемых преобразователем.

the Moscow Aviation Institute majoring in Con-

В результате из выражений (20)…(22)

2. Полученные выражения позволяют

trol, pilot navigation and electric power com-

получены соотношения для определения

определить минимальное значение емко-

plexes of aircraft. He has 5 years of work experi-

такого значения емкости выходных кон-

сти выходных конденсаторов при заданном

ence. Currently he is a post-graduate student of

the Department of electrical, electromechanical

денсаторов С1 и С2, при котором амплиту-

значении доли третьей гармонической

and biotechnical systems of the MAI. Has 4 sci-

да третьей гармонической составляющей

составляющей входного фазного тока.

entific works.

3. Компьютер-

Volsky Sergey

ное моделирова-

He was born in 1961. In 1984 he graduated from

ние электриче-

the Moscow Aviation Institute majoring in elec-

ских процессов

trical equipment of aircraft. He is doctor of tech-

в рассматривае-

nical sciences, professor. In 2002 he defended

his thesis on Development of perspective elec-

мой силовой схе-

trotechnical complexes of vehicles based on

ме подтвердило

high-voltage high-frequency static converters.

пригодность

He has 27 years of work experience. Currently

he works as a professor at the Department of

полученных ана-

electrical, electromechanical and biotechnical

Рис. 3. Зависимость доли третьей гармоники входных фазных токов

литических выра-

systems of the MAI. Has 107 scientific works,

от емкости выходных конденсаторов

жений.

20 author certificates and utility model patents.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

Перспективные способы обнаружения

однофазных коротких замыканий

в сетях с изолированной нейтралью

// Рerspective methods of detecting single-phase short cuts

in networks with isolated neutral //

Андреев А.А.,

ровым преобразователем сигнал срав-

Тольяттинский государственный университет, Тольятти

нивается с помощью схемы сравнения

с уставкой. После соответствующего

В статье представлено описание спо-

The article describes the methods of detect-

анализа, если произошло превышение

собов обнаружения замыканий на землю

ing earth faults in networks with insulated

уставки, то на основе полученных данных

в сетях с изолированной нейтралью

neutral using short circuit sensors. Produced

микроконтроллер определяет тип аварии,

с помощью датчиков короткого замы-

in general terms the description and recom-

и производится соответствующая световая

кания. Произведено в общем виде описа-

mendations for the installation of sensors

индикация. Датчики, в охранной зоне ко-

ние и даны рекомендации к установке

for their normal operation. The introduc-

торых прошел ток короткого замыкания,

датчиков для их нормальной работы.

tion of these devices will make it possible

срабатывают и сигнализируют о своем

Внедрение этих устройств позволит

to quickly resume normal power supply to

включенном положении. Оперативный

быстрее возобновлять нормальное

consumers and thereby optimize the time

персонал, выполняющий осмотр линии,

электроснабжение потребителей

limits for the grid companies to search for

может по световой индикации определить

и тем самым оптимизировать для

an accident.

направление прохождения замыкания, что

электросетевых компаний временные

Keywords: networks with isolated neutral,

актуально в разветвленных сетях. При-

пределы на поиск аварии.

short circuit sensor, short circuit indicator,

менение этих устройств будет целесоо-

Ключевые слова: сети с изолированной

ground in the grid.

бразнее при их установке на границе раз-

нейтралью, датчик короткого замыка-

ния, индикатор короткого замыкания,

ветвления линии. На трассе без ответвле-

«земля» в сети.

ний установка датчиков на каждой опоре

необязательна. Также при необходимости

На сегодняшний день аварийные си-

линией, имеет свои особенности, поэтому

для воздушных линий может быть пред-

туации в сетях среднего напряжения воз-

оперативные действия позволят сократить

усмотрена телесигнализация [3]. Связь

никают достаточно часто. Повреждение

время аварийной ситуации [2].

сработавших датчиков с диспетчерским

линий в электрических сетях происходит

Одним из перспективных способов

пунктом позволит быстрее определить

не только вследствие природных катаклиз-

мониторинга однофазных коротких за-

место замыкания и последующие соот-

мов, но и в результате нарушения условий

мыканий является внедрение датчиков

ветствующие ремонтные работы.

эксплуатации оборудования, земляных ра-

короткого замыкания. В сетях, выпол-

Сложнее обстоит ситуация в сетях,

бот и т.д. В результате анализа аварийных

ненных воздушными линиями, данные

выполненных кабельными линиями. Го-

ситуаций было определено, что наиболее

датчики фиксируют факт прохождения

родские электрические сети в основном

повреждаемым элементом электроэнерге-

по линии короткого замыкания

тической системы являются линии электро-

и срабатывают в этих точках сети.

передачи [1]. Особенно это заметно в рас-

Различные модификации этих

пределительных сетях, характеризующихся

устройств способны определять

наибольшей массовостью линий. Самыми

и однофазные замыкания на зем-

распространенными повреждениями

лю. Пофазно установленные на ли-

в линиях являются однофазные короткие

нии индикаторы включают в свой

замыкания - они могут составлять до 90%

состав индукционный датчик

всех коротких замыканий. В сетях 6-35 кВ,

тока и емкостной датчик напря-

работа которых предусмотрена с изоли-

жения. Если проводить аналогию

рованной нейтралью, эти повреждения

с электропреобразовательными

обнаружить достаточно сложно, так как

устройствами, то эти составляю-

поврежденные линии могут находиться

щие можно представить в виде

под напряжением в соответствии с регла-

трансформатора тока и трансфор-

ментируемым временем. Длительное же

матора напряжения. Блок управ-

замыкание на землю опасно не только для

ления, который закрепляется на

оборудования, но и для живых существ, на-

опоре, осуществляет обработку

ходящихся в зоне «растекания» тока на зем-

полученных сигналов (рис. 1).

лю. Определение поврежденного участка,

В нормальном режиме уже

выполненного воздушной или кабельной

преобразованный аналого-циф- Рис. 1. Индикатор короткого замыкания на опоре

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2019

осуществляют связь между источником

и потребителем электрической энергии

посредством кабелей. Их суммарная протя-

женность и массовость вносят при повреж-

дениях такую же неопределенность, как

и в воздушных линиях. Особенностью для

поиска является то, что кабельные линии

имеют закрытое от потребителя исполне-

ние, то есть они прокладываются в земле,

в коллекторах, тоннелях и не видны как

потребителю, так и обслуживающему пер-

соналу [4]. Определение же конкретного

места замыкания требует предварительно-

го определения зоны замыкания [5].

Предложенный метод применим и для

кабельных линий. Модификация элек-

тронных датчиков позволяет определять

все виды коротких замыканий. В комплект

данных датчиков входят устройства сиг-

нализации замыкания на землю и сигна-

лизации короткого замыкания. Датчики

короткого замыкания, аналогично транс-

форматорам тока, производят первичное

Рис. 2. Датчики короткого замыкания

Рис. 3. Структурная схема цепочки

преобразование магнитного поля в элек-

и датчик замыкания на землю на кабеле

подстанций с установленными

трический сигнал, который передается на

датчиками короткого замыкания

блок управления. Далее путем сравнения

производится анализ и принимается ре-

Таким образом, применение методов

Таранов М.А. Эксплуатация электрообору-

шение на основе полученных данных.

отыскания замыкания на землю в сетях

дования. - М.: Форум, 2016. - 176 с.

3. Назаров А.В. Современная телеметрия

Эти датчики устанавливаются с помо-

с изолированной нейтралью с использо-

в теории и на практике. Учебное пособие. -

щью хомутов на отдельные фазные жилы

ванием этих устройств приведет к зна-

СПб.: Наука и техника, 2007. - 627 с.

кабеля на вводе в подстанцию и имеют

чительному сокращению времени на

4. Правила устройства электроустановок.

7-е издание [Текст]. - М.: Издательство «Мор-

непосредственную электрическую связь

устранение аварийной ситуации [7]. Бы-

книга», 2016. - 576 с.

с блоком управления. Датчик замыкания

страя дефектация поврежденного участ-

5. Андреев А.А. Виды повреждений в кабель-

на землю устанавливается на все три жилы

ка сети позволит скорее локализовать

ных сетях // Электронный научный журнал

сразу, и его принцип работы аналогичен

повреждение и произвести необходимые

«Вестник магистратуры»,

2017,

№ 9 (72).

трансформатору тока нулевой последо-

переключения на подстанциях. Технико-

С. 25-26.

6. Правила технической эксплуатации элек-

вательности, принцип действия которого

экономическое обоснование использо-

троустановок потребителей. - М.: Энас, 2015. -

основан на возникающей асимметрии

вания данных устройств заключается

280 с.

в результате замыкания на землю (рис. 2).

в их относительно низкой стоимости

7. Романюк Ф.А. Определение места ко-

Так как кабельные линии проложены

в сравнении с мерами по техническо-

роткого замыкания на линиях распредели-

тельных сетей в объеме функций микропро-

под землей, то установка световой инди-

му перевооружению всех подстанций

цессорных токовых защит / Ф.А. Романюк,

кации нецелесообразна, и датчики необ-

города, не имеющих защит по высокой

А.А. Тишечкин, О.А. Гурьянчик // Энергетика

ходимо связать с диспетчерским пунктом.

стороне. Благодаря этим устройствам

(Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объеди-

Наиболее подходящим решением в дан-

прямая экономическая выгода может

нений СНГ), 2010, № 6. - С. 5-13.

ном случае является GSM-связь. Соответ-

быть получена путем снижения недо-

Андреев Антон Андреевич

ствующее место повреждения в цепочке

отпуска электроэнергии и соответству-

Родился в 1994 году. В 2018 году окончил То-

подстанций будет находиться на границе

ющих штрафов со стороны потребите-

льяттинский государственный университет

отработавших датчиков и датчиков, нахо-

лей. Особенно этот вопрос актуален для

(ТГУ) по специальности «Техническое и ин-

формационное обеспечение интеллектуаль-

дящихся в режиме дежурства. На рис. 3

однотрансформаторных подстанций,

ных сетей электроснабжения». Опыт рабо-

отработавшие датчики представлены за-

запитанных в одной цепочке, так как воз-

ты - 3 года. В настоящее время работает дис-

крашенными кружками, т.е. повреждение

обновление их электроснабжения при

петчером электрических сетей в АО «ССК»,

находится между подстанциями ТП-2 и ТП-3.

повреждении вводного кабеля может

аспирант ТГУ. Имеет 4 научные публикации.

Комплекс устройств устанавливается

быть произведено только после соот-

Andreev Anton

на кабельном вводе в трансформаторную

ветствующих ремонтных работ.

Was born in 1994. In 2018 he graduated from

подстанцию, и по сработавшим датчи-

Togliatti State University (TSU) with a degree

кам диспетчер заранее будет знать место

Литература

in Technical and informational support of in-

1. Степанов В.М. Диагностика технического

telligent power supply networks. Has 3 years

повреждения. Следовательно, соответ-

состояния силовых кабельных линий напря-

of working experience. At present he is an

ствующие оперативные переключения

жением 35-500 кВ / В.М. Степанов, П.А. Бо-

electrical network manager at JSC SSC and a

и последующие ремонтные работы будут

postgraduate student at TSU. Has 4 scientific

рисов // Известия ТулГУ. Технические науки,

выполнены быстрее [6].

2011, вып. 6, ч. 1. - С. 66-71.

publications.

Электронные компоненты, датчики

№ 3 2019

Анализ процессов самовключения

тиристорного ключа

// Аnalysis of thyristor self-energizing key //

Бондаренко А.В.,

драйвером DA. Рассмотрим интервал вре-

Сергеев Б.С., д. т.н., профессор,

мени работы тиристорного ключа, когда

Сулейманов Р.Я., к. т.н., доцент,

импульсный сигнал с выхода DA отсутству-

Уральский государственный университет

ет, то есть i_DA = 0, а на электроды анод-ка-

путей сообщения, Екатеринбург

тод VS поступает линейно нарастающее

напряжение u_ак. Конденсатор С отображает

внутреннюю емкость между анодом (А)

Рассмотрены процессы, происходящие

The processes occurring in the semicon-

и управляющим электродом (УЭ) полупро-

в полупроводниковой структуре вы-

ductor structure off thyristor when filing

водниковой структуры тиристора. Ток i_С,

ключенного тиристора при подаче на

for its cathode anode electrodes linearly

протекающий через этот конденсатор, рас-

его электроды анод-катод линейно на-

increasing voltage. This point of time can be

пределяется между управляющим электро-

растающего постоянного напряжения.

characterized by thyristor samovkeljuche-

дом (i_уэ) и выходным сопротивлением R_DA

Этот этап времени может характери-

niem due to the negative impact of capacity

драйвера DA (i_DA).

зоваться самовключением тиристора

between the anode and the electrodes of

Примем, что напряжение u_ак на этапе

за счет негативного влияния емкости

semiconductor structures. To analyze used

времени его подключения и дальнейше-

между анодом и управляющим электро-

transistor equivalent circuit of the thyristor.

го его увеличения имеет вид линейной

дом полупроводниковой структуры.

In the famous thyristor switches to eliminate

Для анализа использована транзистор-

this effect, used power inductive elements

функции

ная эквивалентная схема тиристора.

included in a chain anode thyristors. This

u t)

(1)

ак

В известных тиристорных ключах для

has a number of negative effects of feasibil-

устранения этого эффекта использу-

ity. On the basis of the analysis proposed

где Е - установившееся значение напря-

ются силовые индуктивные элементы,

technical solution without using the key

жения u_ак, которое наступает по проше-

включаемые в цепь анода тиристора.

power thyristor elements will be included in

ствии интервала времени Т.

Это имеет ряд отрицательных техни-

a schema key.

Первоначально примем также, что на

ко-экономических последствий. На ос-

Keywords: сontrolled thyristor, thyristor,

рассматриваемом этапе времени, незави-

нове выполненного анализа предложено

bipolar transistor, the key equivalent circuit

симо от величин аргументов выражения

техническое решение тиристорного

of the thyristor, driver, time chart, capacitor,

(1) и параметров схемы (рис. 1), тиристор

ключа без использования силовых эле-

resistor.

VS находится в выключенном состоянии,

ментов, включаемых в схему ключа.

то есть известный процесс его самовклю-

Ключевые слова: тиристор, тиристор-

чения отсутствует.

ный ключ, биполярный транзистор,

эквивалентная схема тиристора,

драйвер, временные диаграммы, конден-

сатор, резистор.

Одной из специфических особенно-

стей тиристорных ключей, которые во

многих случаях определяют надежность

функционирования преобразователей

электрической энергии, является ограни-

чение по максимальной скорости dU_ак/dt

подачи напряжения анод-катод тиристора

ключа [1].

Обычно для анализа процессов работы

тиристорных ключей применяется транзи-

сторная эквивалентная схема тиристора VS,

которая приведена на схеме ключа (рис. 1).

Здесь моменты времени включения тири-

стора VS реализуются микроэлектронным

Рис. 1. Схема тиристорного ключа

ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ, ДАТЧИКИ

№ 3 2019

Допустим также, что реально суще-

импульса тока i_DA с выхода драйвера DA.

анода тиристора в процессе функци-

ствующие паразитные емкости анод-ка-

При этом этап времени t > Т можно не

онирования устройства преобразова-

тод С_ак и управляющий электрод-катод

рассматривать, так как он не влияет на

ния электрической энергии. Кроме того,

С_уэ-к тиристора не оказывают влияния

обеспечение работоспособности тири-

введение материалоемкого индуктив-

на работу тиристорного ключа в момент

сторного ключа.

ного элемента вызывает увеличение

подключения напряжения u_ак(t) к выклю-

В соответствии с выражением (2) ам-

стоимости схемы. Второе направление

ченному тиристору [2].

плитуда этого импульса определяется

обусловливает снижение энергетиче-

На рис. 2 показаны временные диа-

ской эффективности управляющей цепи

⎡

⎛

⎞⎤

граммы, иллюстрирующие этапы работы

⎢1−exp⎜−

⎟⎥.

(3)

тиристора за счет необходимости умень-

⎣

⎝

⎠⎦

схемы (рис. 1) с учетом принятых допуще-

шения сопротивления резистора R_DA

ний. Здесь приведены процессы работы

Очевидно, что для обеспечения ра-

(см. схему рис. 1).

схемы для трех вариантов значений ин-

ботоспособности схемы тиристорного

Иллюстрация самовключения тири-

тервалов времени нарастания напряже-

ключа, то есть для исключения самовклю-

стора, если в схеме ключа не выполняется

ния u_ак: T₁ < T₂ < T₃. Они соответствуют

чения тиристора VS при подаче линейно

условие (4), показана на временных диа-

графикам 1, 2 и 3 диаграмм u_ак(t) и i_С(t)

нарастающего напряжения u_ак, необходи-

граммах (рис. 3), где пунктиром показан

(рис. 1).

мо выполнение неравенства

график изменения напряжения u_ак при

Процессы изменения тока i_С на про-

отсутствии процесса самовключения ти-

I_C < I_{C max},

(4)

тяжении работы схемы (рис. 1), описыва-

ристора. Для этой временной диаграммы

емые при помощи единичных функций,

где величина I_{C max} определяет критиче-

амплитуда тока

определяются следующим уравнением:

скую величину тока i_С, при которой воз-

⎡

⎛

⎞⎤

вкл

можен момент регенеративного после-

1−exp

−

Cвкл

⎢

⎜

⎟⎥.

(5)

⎣

⎝

⎠⎦

довательного включения транзисторов

VT1 и VT2 схемы (рис. 1).

В соответствии со схемой (рис. 1) ток

С учетом изложенного можно сде-

заряда конденсатора С_а-уэ складывается

(2)

лать вывод, что для уменьшения тока

из двух оставляющих:

где 1(0) и 1(Т) - единичные функции:

управляющего электрода i_уэ, то есть для

i_C = i_R + i_б1

(6)

t <T

исключения самовключения тиристора

1(t)

;

{0 дл

, необходимо увеличение величины

Как показано в [3], возникновение ре-

времени нарастания Т напряжения u_ак

генеративного процесса включения тран-

RC - сопротивление, включенное последо-

вательно с конденсатором С, в частности

и/или уменьшение величины сопротив-

зисторов VT1 и VT2 схемы (рис. 1) при

для схемы (рис. 1), - это резистор R_DA.

ления резистора R_DA.

прочих равных условиях определяется

С точки зрения обеспечения рабо-

Первое направление решается

произведением их коэффициентов пере-

тоспособности схемы (рис. 1) наиболее

обычно путем введения индуктивного

дачи базового тока Н_21э1 и Н_21э2 соответ-

важным является определение величины

элемента в цепь тока анода тиристора.

ственно. Известно также, что величина

и нормирование амплитуды импульса

Однако это может вызвать появление

коэффициентов Н_21э в общем случае

тока заряда I_С, который может вызвать

коммутационных перенапряжений

существенно зависит от величины ба-

включение тиристора VS при отсутствии

в схеме при рабочей коммутации тока

зового тока i_б транзисторов, приближаясь

Рис. 2. Временные диаграммы работы схемы рис. 1 при

Рис. 3. Иллюстрация процесса самовключения тиристора VS

отсутствии момента самовключения тиристора VS

Электронные компоненты, датчики

№ 3 2019

к нулю при достаточно малых значениях

(7)

Выбор величин сопротивления ре-

Твкл ш > Твкл,

тока i_б. В наиболее значимой степени это

зистора R_ш и емкости конденсатора С_ш

проявляется при напряжении перехода

где Т_{вкл ш} - интервал времени до момента

в выражении (9) при условии их соот-

база-эмиттер u_бэ < U_бэ0, где U_бэ0 - порого-

включения транзистора VT_ш; Т_вкл - интер-

ветствующего соотнесения с другими

вое напряжение этого перехода, входная

вал времени, показанный на временных

параметрами схемы позволяет полно-

характеристика которого представляется

диаграммах (рис. 3).

стью исключить эффект самовключения

в виде ломаной функции с параметрами

Исходя из этого ток заряда конденса-

тиристорного ключа при подключении

U_бэ0 и дифференциального сопротив-

тора С_ш, требующийся для обеспечения

к нему напряжения u_ак.

ления R_диф. Очевидно, что уменьшение

работоспособности схемы тиристорного

В результате проведенного анализа

сопротивления резистора R_DA снижает

ключа, должен присутствовать на про-

определены направления исключения

уровень напряжения u_бэ, что снижает

тяжении интервала времени Т. При этом

самовключения тиристора при подключе-

вероятность самовключения тиристор-

амплитуда импульса тока заряда С_ш будет

нии к нему напряжения u_ак и предложено

ного ключа.

находиться из выражения

схемотехническое решение, позволяю-

Это может быть реализовано путем

щее повысить надежность работы тири-







введения кратковременного шунтирова-

Cш

1−exp−

.

(8)

сторного ключа в устройствах и системах







ния управляющего входа (УЭ) тиристора

преобразования электрической энергии

VS полупроводниковым элементом, на-

Величина тока базы i_бш транзисто-

различных объектах инфраструктуры же-

пример, транзисторным ключом, который

ра VT_ш при его включенном состоянии

лезнодорожного транспорта. Получены

должен находиться во включенном состо-

определяется необходимостью его работы

условия для определения требуемых

янии на протяжении времени нарастания

в режиме насыщения, так как только при

параметров схемы тиристорных ключей.

Т напряжения u_ак.

этом для биполярных транзисторов вы-

Схемотехническая реализация по-

полняется неравенство: U_{кэ нас} < U_бэ, где

Литература

добного принципа управления тиристо-

1. Справочник по силовой электронике /

Uкэ нас - падение напряжения на переходах

ром приведена на рис. 4, где транзистор

коллектор-эмиттер VT в режиме насы-

Ю.К. Розанов, П.А. Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Ча-

VT_ш выполняет функцию шунтирования

щения [1, 4]. Тогда напряжение на входе

плыгин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. -

перехода база-эмиттер транзистора VT1

тиристора VS будет равно: U_уэ < U_бэ0, где

472 с.

транзисторной эквивалентной схемы ти-

U_бэ0 - соответствует пороговому напря-

2. Бондаренко А.В., Сергеев Б.С. Анализ

ристора VS.

жению перехода база-эмиттер транзи-

силовых полупроводниковых приборов

стора VT1 для при-

для устройства электропитания сложных

нятой выше модели

IT-систем / Труды VII НТК «Интеллектуальные

его входной харак-

системы управления на железнодорожном

теристики. При этом

транспорте. Компьютерное и математическое

будем иметь i_б1 → 0,

моделирование (ИСУЖТ). - М.: ОАО «НИИАС»,

что соответственно

2018. - С. 140-142.

обусловит i_к1 → 0.

3. Пикалин Ю.А., Сергеев Б.С., Бондаренко А.В.

Очевидно, что в этом

Повышение надежности функционирования си-

случае обеспечива-

ловых преобразователей электрической энер-

ется надежное шун-

гии железнодорожного транспорта // Транспорт

тирование входа

Урала, 2018, № 3. - С. 55-57.

транзистора VT1

4. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые

транзисторной эк-

ключи: семейство характеристик, примене-

вивалентной схемы

ние. - М.: Изд. дом Додека-XXI, 2001. - 384 с.

тиристора при нали-

чии его тока коллек-

Бондаренко Анна Викторовна

тора I_кш = I_{С вкл}, где I_С

Родилась в 1978 году. В 2000 году окончила

Уральскую государственную академию пу-

вкл определяется из

выражения (5). В со-

тей сообщения (УрГАПС) по специальности

ответствии с этим

«Инженер-электромеханик». Опыт работы -

для обеспечения до-

18 лет. В настоящее время работает доцентом

Рис. 4. Схема тиристорного ключа с шунтированием

статочно надежного

кафедры «Электрические машины» Уральского

управляющего электрода тиристора

шунтирования входа

государственного университета путей сооб-

тиристора VS и полу-

щения (УрГУПС). Имеет более 10 публикаций

Управление транзистором VT_ш осу-

чения его самовключения необходимо

и изобретений.

ществляется последовательной цепочкой,

выполнение неравенства

состоящей из конденсатора С_ш и резисто-

Сергеев Борис Сергеевич







ра R_ш. Очевидно, что эта цепь по выполня-

бш

≥

1−exp−

,

(9)

Родился в 1941 году. В 1964 году окончил

TН

21э ш





ш ш



емой функции аналогична конденсатору

Уральский электромеханический институт

С_а-уэ схемы (рис. 1).

где N_ш и Н_{21э ш} - степень насыщения и ко-

инженеров транспорта (УЭМИИТ) по специ-

Однако при этом должно выполняться

эффициент передачи базового тока тран-

альности «Автоматика, телемеханика и связь

условие:

зистора VT_ш соответственно.

на железнодорожном транспорте». Доктор

ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ, ДАТЧИКИ

№ 3 2019

технических наук, профессор. В 1993 году за-

ны» Уральского государственного универси-

he defended his thesis on the topic “Power elec-

щитил диссертацию по теме «Силовая электро-

тета путей сообщения (УрГУПС). Имеет более

tronics”. Has 55 years of working experience. At

ника». Опыт работы - 55 лет. В настоящее время

30 публикаций и изобретений.

present he is a professor of “Electric machines”

работает профессором кафедры «Электриче-

department at Ural State University of Railway

ские машины» Уральского государственного

Bondarenko Anna

Transport (USURT). Has 190 scientific and technical

университета путей сообщения (УрГУПС). Имеет

Was born in 1978. In 2000 he graduated from Ural

publications, including 4 monographs, 130 copy-

190 научно-технических публикаций, включая

State University of Railway Transport (USURT)

right certificates and patents for inventions.

4 монографии, 130 авторских свидетельств

with a degree in electrical engineer. Has 18 years

и патентов на изобретения.

of working experience. At present he is an asso-

Suleymanov Rashit

ciate professor of “Electrical machines” depart-

Was born in 1941. In 1969 he graduated from

Сулейманов Рашит Яхьевич

ment at Ural State University of Railway Transport

Ural Electromechanical Institute of Transport

Родился в 1941 году. В 1969 году окончил

(USURT). Has more than 10 scientific publications

Engineers (UEITE) with a degree in electrician

Уральский электромеханический институт

and inventions.

engineer. Candidate of engineering sciences, as-

инженеров транспорта (УЭМИИТ) по специаль-

sistant professor. In 1980 he defended his thesis

ности «Инженер-электромеханик». Кандидат

Sergeev Boris

on the topic “Power supply of railway transport

технических наук, доцент. В 1980 году защитил

Was born in 1941. In 1964 he graduated from Ural

systems”. Has 39 years of working experience. At

диссертацию по теме «Электроснабжение си-

Electromechanical Institute of Transport Engineers

present he is a professor of “Electric machines”

стем железнодорожного транспорта». Опыт

(UEITE) with a degree in “Automation, remote

department at Ural State University of Railway

работы - 39 лет. В настоящее время работает

control and communication in railway transport”.

Transport (USURT). Has more than 30 scientific

профессором кафедры «Электрические маши-

Doctor of technical sciences, professor. In 1993

publications and inventions.

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

№ 3 2019

Технологические особенности формирования

рельефа на пластинах монокристаллического

LiTaO₃ в плазме на основе SF₆

// Technological features of the formation of relief on the surface

monocrystalline LiTaO₃ in plasma based on SF₆ //

Коняев И.В., Владимирова Л.Н., к. х.н., доцент,

для того, чтобы иметь возможность рас-

Бормонтов Е.Н., д.ф.- м.н., профессор,

ширить сферу его применения. Но как бы

Воронежский государственный университет, Воронеж

широко ни использовался танталат лития,

он все еще остается нетрадиционным ма-

Бородкин И.И., к. т.н.,

териалом с точки зрения создания микро-

Научно-исследовательский институт электронной техники, Воронеж

рельефа, и процессы формирования эле-

В статье представлены результаты

The research results on the influence of tech-

ментов топологии с высоким аспектным

исследования по влиянию технологиче-

nological parameters of the etching process

соотношением на его основе не всегда

ских параметров процесса травления

of lithium tantalate in plasma based on SF₆

возможны.

танталата лития в плазме на основе

is presented in this article. Aluminum 0.5

Методы сухого травления использу-

μm thick obtained by magnetron sputtering

SF₆. В качестве материала маски для

ются для разных кристаллографических

was used as the etching mask material. The

травления использовался алюминий

ориентаций. Метод плазмохимическо-

толщиной 0,5 мкм, нанесенный мето-

required topology of the mask was formed

го травления при этом один из самых

дом магнетронного распыления. Необ-

by contact photolithography and liquid

интересных и широкодоступных. Его

ходимая топология маски формирова-

etching. Experiments were performed on

значительным преимуществом перед

лась методами контактной фотоли-

a Corial D250 with a diode-type reaction

тографии и жидкостным травлением.

методами физического распыления яв-

chamber. It was demonstrated that the

Исследования по плазмохимическому

ляется возможность получения сильно

input power does not have a significant im-

травлению LiTaO₃проводились на уста-

отличающихся скоростей травления для

pact on the etching profile, but it affects the

новке Corial D250. Было продемонстри-

химически разных материалов [2]. Это

etching rate. During the experiments, it was

ровано, что подводимая мощность не

необходимо при травлении через маску.

possible to obtain holes of a few microns in

оказывает существенного воздействия

Селективность травления обусловлена

depth with the angle of inclination of the

на профиль травления, но влияет на

различием элементарных стадий данного

side walls of 60 °C. The aluminum used as a

скорость. При проведении эксперимен-

процесса, происходящих на поверхности

mask made it possible in the applied treat-

тов удалось получить отверстия глу-

(адсорбция, химическая реакция, десорб-

биной несколько микрон с углом наклона

ment modes to achieve a selectivity index

ция продуктов реакции). В работах [3, 4]

боковых стенок 60°. Используемый

with respect to LiTaO₃ more than 20: 1. The

была продемонстрирована возможность

в качестве маски алюминий позволил

addition of argon in the amount of 30 vol.%

травления танталата лития в плазме на ос-

в исследуемых режимах обработки до-

allowing to increase the etching rate at an

нове SF₆. Формирование структур с высо-

биться показателя селективности по

appropriate power does not lead to a more

отношению к LiTaO₃ более 20:1. Добавка

pronounced anisotropic etching profile.

ким аспектным соотношением фактически

аргона в количестве 30 об.%, позволя-

There is a degradation in the quality of the

серьезно осложняется из-за образования

ющая увеличить скорость травления

surface at the same time.

в процессе травления твердого продукта

при соответствующей мощности, не

Keywords: plasma chemistry, lithium tan-

реакции - фторида лития (LiF), который

приводит к более выраженному ани-

talite, fluorine radicals, surface topol-

имеет высокую температуру кипения при

зотропному профилю травления. При

ogy, sidewall slope angel.

нормальных условиях (1949°К).

этом наблюдается ухудшение каче-

ства поверхности маскирующего по-

Подготовка образцов

крытия из-за переосаждения металла.

В работе [5] сообщается о применении

Ключевые слова: плазмохимия, танта-

метода взрывной фотолитографии для

лат лития, радикалы фтора, тополо-

формирования никелевой маски на по-

гия поверхности, угол наклона боковой

верхности ниобата лития, родственного

стенки.

материала с точки зрения физико-хими-

Уникальный набор физико-химиче-

других устройств. Высокие нелинейные

ческих свойств. При этом отмечается ряд

ских свойств танталата лития (LiTaO₃)дела-

свойства, электрооптические и акустооп-

проблем, связанных с технологическими

ет этот материал важным в ряде областей

тические коэффициенты LiTaO₃ позволяют

ограничениями данного метода. Для реа-

применения при производстве таких при-

создавать на его основе как активные, так

лизации подобной технологии слой фото-

боров, как пироэлектрические детекторы,

и пассивные элементы [1]. Были приложе-

резиста должен быть существенно тол-

электрооптические модуляторы, пьезо-

ны значительные усилия по исследованию

ще слоя напыляемого металла, который

электрические преобразователи и ряд

особенностей травления этого материала

в свою очередь определяет максимальную

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

№ 3 2019

глубину травления исходя из селектив-

полосовой структурой шириной 3 мкм,

Проявление экспонированного фо-

ности процесса. Второй существенной

длиной 55 мкм, а также с отверстиями

торезиста проходило в щелочном про-

проблемой является нарушенный рельеф

диаметром 5 и 9 мкм. Формирование ме-

явителе на основе КOH в течение 5 с,

края маски, полученный после взрыв-

таллического покрытия производилось

после чего проводился цикл отмывки

ной фотолитографии, что отражается на

методом магнетронного распыления на

в деионизованной воде от проявителя

неточностях при формировании струк-

установке «Оратория» О1НИ-7-006, после

и остатков фоторезиста. По данной тех-

тур в подложке ниобата лития. Данные

чего методом центрифугирования нано-

нологии получают рисунок фоторезиста

ограничения еще более усугубляются

сился слой фоторезиста марки Microposit

на поверхности пластины в соответствии

при микронном и субмикронном рисун-

S1813 G2 SP15. Для этого пластина пода-

с фотошаблоном. Процесс задубливания

ке, делая попросту невозможным полу-

ется на столик центрифуги с вакуумным

проводят в термостате при температуре

чение подобного рельефа. Исходя из

прижимом. Затем центрифуга раскручи-

145 °C в течение часа.

вышеописанного, пришлось отказаться

вается до 4000 об/мин, и дозированно

Затем для формирования маски Al

от данного метода и прибегнуть к тради-

наносится фоторезист. В течение 15 с про-

проводилось жидкостное травление

ционной литографии при исследовании

исходит равномерное распределение

в растворе (NH₄)₂S₂O₈: CH₃COOH:

особенностей формирования рельефа на

фоторезиста и удаление излишков, после

H₃PO₄: H₂O = 7:4:14:15. Поскольку име-

пластинах монокристаллического LiTaO₃.

чего выполняется ИК-термообработка

ет место боковое травление, размеры

В качестве маскирующего покрытия

пластины на треке при температуре 95 °C.

элементов и профили их краев можно

в данной работе использовался алюми-

Следует учитывать, что длительное воз-

контролировать, уменьшая степень пере-

ний толщиной 0,5 мкм, так как хорошо из-

действие температуры снижает чувстви-

травливания (оно почти всегда необходи-

вестна устойчивость данного металла при

тельность фоторезиста к свету. Толщина

мо для компенсации неоднородностей

травлении во фторсодержащей плазме.

полученного слоя составляла порядка

и переноса рисунка на поверхности

Технология традиционной фотолито-

1 мкм. Для получения более толстых пле-

ступенчатого рельефа). В данном случае

графии предполагает следующие этапы

нок необходимо повторное проведение

контроль производился методом непо-

(рис. 1).

цикла операций. Для формирования

средственного визуального наблюдения

Для создания маски использовался

рельефа в слое фоторезиста осущест-

подвергаемой травлению пленки в опти-

тестовый фотошаблон с периодической

вляется операция совмещения фотоша-

ческий микроскоп.

блона с пластиной

Следующий этап - плазмохимическое

и экспонирование.

доснятие фоторезистивной маски на уста-

Данный процесс

новке «Плазма-125» ИМ в кислородной

проводился в ре-

плазме.

жиме контактной

РЭМ-изображения полученного про-

печати на уста-

филя Al маски представлены на рисунках

новке ЭМ-576. При

2а и 2б.

этом базовый срез

Затем пластина проходила цикл резки,

пластины совме-

отмывки в деионизованной воде, и по-

щается с метками

лученные образцы размером 1×1 см²

на фотошаблоне.

использовались для дальнейших экс-

Экспонирование

периментов травления LiTaO₃, после

осуществляется

которых металлическая маска доснима-

с помощью ртутной

лась жидкостным травлением в растворе

лампы ДРШ-350

Н₃РО₄: H₂O = 1:1 в течение трех минут

Рис. 1. Этапы формирования микроструктур на поверхности LiTaO₃

в течение 10 с.

при Т = 50 °C.

а)

б)

Рис. 2. РЭМ-изображения профиля алюминиевой маски: а) x50000; б) x20000

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

№ 3 2019

Методика эксперимента

характеризуется существенным растра-

составляющая скорости травления и угол

и обсуждение результатов

вом за счет изотропности протекания

наклона - важные параметры, которые

Исследовалось влияние таких техно-

процесса, таким образом, приемлемых

накладывают ограничения на формирова-

логических параметров, как подводимая

результатов удалось достичь при глубине

ние топологического рисунка в танталате

мощность (W) и газовая добавка аргона

травления 1-2 микрона. Как показали

лития, так как при неправильно подо-

на профиль травления танталата лития

эксперименты, в исследуемых режимах

бранных расстояниях растрав отверстий

в плазме на основе газа SF₆, а также се-

работы с использованием алюминиевой

может привести к их перекрытию до того,

лективность к маске из алюминия в раз-

маски селективность к танталату лития

как будет достигнута необходимая глуби-

личных режимах обработки.

составляла более 20:1.

на. РЭМ-изображение профиля травле-

Эксперименты проводились на уста-

На рисунках 3а и 3б представлены

ния, полученного при мощности 250 Вт,

новке с РРК (реакционно-разрядной

виды сверху поверхности тестового об-

представлено на рис. 5. Следует отметить

камерой) диодного типа Corial D250

разца после травления в течение 15 минут

воздействие на поверхность ионной со-

(Франция). Процесс травления прово-

при мощности 250 Вт, T = 280°C и давлении

ставляющей плазмы при 250 Вт и, как

дился с использованием гексафторида

210 Па до удаления маски из Al. При этом

следствие, довольно сильную шерохо-

серы (SF₆) с применением добавки Ar при

видна пористая пленка LiF внутри отвер-

ватость за счет радиационных дефектов.

давлении 210 Па и потоке газа 30 см³/мин.

стий и полос.

Помимо прочего на рис. 6 видно, что

В [2] более подробно описана методика

На рис. 4 представлен график зави-

вокруг вытравленных отверстий диаме-

эксперимента и оборудование.

симости угла наклона боковой стенки α

тром 9 мкм наблюдается поднятие метал-

Конечный профиль стенки определяет-

от прикладываемой ВЧ-мощности в диа-

лической маски. Это явление, по-видимому,

ся не только самим процессом травления,

пазоне от 100 до 250 Вт.

связано с механизмом травления танталата

но и профилем металлической маски. До-

Наблюдаемая тенденция демонстри-

лития, в результате которого образуется

стижимая максимальная глубина травления

рует несущественное увеличение угла

пористый слой твердого продукта (LiF).

обычно ограничивается селективностью

наклона стенки при росте подводимой

Этот приподнятый металл будет микро

к маске. В проводимых экспериментах трав-

мощности с 50° при 100 Вт до 60° при

маскировать края отверстий, приводя

ление осуществлялось на глубину до 5 мкм.

250 Вт, что, по-видимому, связано с уве-

к плохому переносу рисунка. Данный

Формирование профиля травле-

личением вклада ионной (физической)

краевой эффект может накладывать

ния глубиной в несколько микрон

составляющей плазмы. Горизонтальная

ограничения на минимальный размер

а)

б)

Рис. 3. РЭМ-изображения поверхности после травления: а) х1000; б) х6000

Рис. 4. График зависимости угла наклона боковой стенки от мощности

Рис. 5. РЭМ-изображение протравленных микроструктур

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

№ 3 2019

напыления, в используе-

метрами». Опыт работы - 45 лет. В настоящее

время работает заведующим кафедрой «Фи-

мых режимах обработки

зика полупроводников и микроэлектроника»

позволил добиться по-

Воронежского государственного универси-

казателя селективности

тета (ВГУ). Имеет 170 опубликованных работ,

по отношению к LiTaO₃

в том числе 1 монографию.

более 20:1.

Бородкин Игорь Иванович

Литература

Родился в 1973 году. В 1995 году окончил Во-

Кузьминов Ю.С. Ниобат

ронежский государственный университет

и танталат лития - матери-

(ВГУ) по специальности «Микроэлектрони-

алы для нелинейной опти-

ка». Кандидат технических наук. В 2012 году

ки. - М.: Наука. 1975. - 224 с.

защитил диссертацию по теме «Влияние кон-

2. Ефремов А.М. Вакуумно-

структивно-технологических факторов на

плазменные процессы и тех-

электрические параметры мощных ВЧ и СВЧ

нологии: Учеб. пособие

МОП транзисторов». Опыт работы - 45 лет.

А.М. Ефремов, В.И. Светцов,

В настоящее время работает начальником ла-

Рис. 6. РЭМ-изображение поверхности после травления

В.В. Рыбкин // ГОУВПО Иван.

боратории в Научно-исследовательском ин-

до снятия алюминиевой маски

гос. хим.-технол. ун-т. Ивано-

ституте электронной техники (НИИЭТ). Имеет

во. 2006. - 260 с.

5 публикаций и 1 патент на изобретение.

топологии, получаемой с применением

3. Коняев И.В., Владимирова Л.Н., Бормон-

данного подхода.

тов Е.В., Буслов В.А., Сизаск Е.А. Особенности

Konyaev Ivan

Также исследовалось влияние арго-

кинетики травления ниобата и танталата ли-

Was born in 1991. In 2014 he graduated from

новой добавки на угол наклона боковой

тия во фторсодержащей плазме // Вестник

Voronezh State University (VSU) with a degree

ВГТУ, 2017, т. 13, № 3. - С. 123-127.

in “Electronics and Nanoelectronics”. Has 6 years

стенки поверхности. Ранее в [3] было

4. Коняев И.В., Владимирова Л.Н., Бормон-

of working experience. At present he is a pro-

установлено, что добавка Ar в количе-

тов Е.В., Буслов В.А., Бородкин И.И. Влияние

cess engineer of the 2nd category at the Re-

стве 30 об.% приводит к увеличению

газовых добавок Ar, N₂ и N₂O на кинетику

search Institute of Electronic Equipment (NIIET).

скорости травления, оказывая актива-

травления танталата лития во фторсодержа-

Has 3 scientific publications.

ционное воздействие на поверхность

щей плазме // Вестник ВГТУ, 2018, т. 14, № 3. -

обрабатываемого в плазме материала.

С. 150-155.

Vladimirova Lyudmila

Предполагалось, что ионная составляю-

5. Benchabane S., Robert L., Rauch J.-I., Khe-

Was born in 1949. In 1972 she graduated from

lif A., Laude V. Highly selective electroplated

Voronezh State University (VSU) with a degree

щая поможет сформировать более ани-

nickel mask for lithium niobate dry etch-

in chemistry. Candidate of chemical sciences,

зотропный профиль при травлении. Ана-

ing // Appl. phys. lett., 2009, vol. 105, no. 109,

senior research associate. In 1975 she defended

лиз результатов показал, что в процессе

id. 094109-094109-6. doi: 10.1063/1.3125315.

his thesis on the topic “Study of the process of

травления происходит переосаждение

anodic oxidation of silicon in non-aqueous elec-

распыленного металла, приводящее

Коняев Иван Васильевич

trolytes”. Has 46 years of working experience. At

к нарушению рельефа маскирующего

Родился в 1991 году. В 2014 году окончил Во-

present she is a teacher at Voronezh State Uni-

ронежский государственный университет

versity (VSU). Has more than 60 scientific pub-

покрытия и, как следствие, плохому вос-

(ВГУ) по специальности «Электроника и нано-

lications.

произведению топологии. При этом ви-

электроника». Опыт работы - 6 лет. В настоя-

зуальная оценка качества получаемой

щее время работает инженером-технологом

Bormontov Eugeniy

поверхности по изображениям, получен-

2-й категории в Научно-исследовательском

Was born in 1951. In 1973 he graduated from

ным на растровом микроскопе, демон-

институте электронной техники

(НИИЭТ).

Voronezh State University (VSU) with a degree

стрирует более шероховатый профиль,

Имеет 3 публикации.

in “Semiconductor Physics and Microelectron-

чем при отсутствии аргона, в схожих

ics”. Doctor of physics and mathematics, profes-

Владимирова Людмила Николаевна

sor. In 2001 he defended his thesis on the topic

технологических режимах обработки.

Родилась в 1949 году. В 1972 году окончила

“Multilayer semiconductor structures with non-

Таким образом, можно сделать вывод

Воронежский государственный университет

uniformly distributed parameters”. Has 45 years

о непригодности Al, нанесенного мето-

(ВГУ) по специальности «Химия». Кандидат

of working experience. At present he is a head

дом магнетронного распыления, в каче-

химических наук, старший научный сотруд-

of “Physics of semiconductors and microelec-

стве маски при проведении процессов

ник. В 1975 году защитила диссертацию по

tronics” department at Voronezh State Univer-

травления в смеси SF₆ с Ar.

теме

«Исследование процесса анодного

sity (VSU). Has 170 published works, including

окисления кремния в неводных электроли-

1 monograph.

тах». Опыт работы - 46 лет. В настоящее вре-

Выводы

мя работает преподавателем в Воронежском

Borodkin Igor

В статье представлены результаты

государственном университете (ВГУ). Имеет

Was born in 1973. In 1995 he graduated from

влияния технологических параметров

более 60 публикаций.

Voronezh State University (VSU) with a degree

на профиль травления танталата лития

in microelectronics. Candidate of engineer-

в плазме на основе гексафторида серы.

Бормонтов Евгений Николаевич

ing sciences. In 2012 he defended his thesis

Был реализован процесс травления на

Родился в 1951 году. В 1973 году окончил

on the topic “The influence of structural and

Воронежский государственный универси-

technological factors on the electrical param-

глубину несколько микрон и получение

тет (ВГУ) по специальности «Физика полу-

eters of high-power RF and microwave MOS

профиля с углом 60° при приложении

проводников и микроэлектроника». Доктор

transistors”. Has 45 years of working experi-

мощности ВЧ-разряда 250 Вт, темпера-

физико-математических наук, профессор.

ence. At present he is a head of laboratory at

туре образца 280°C и давлении 210 Па.

В 2001 году защитил диссертацию по теме

the Research Institute of Electronic Equip-

Используемый в качестве маски алюми-

«Многослойные полупроводниковые струк-

ment (NIIET). Has 5 scientific publications and

ний, нанесенный методом магнетронного

туры с неоднородно распределенными пара-

1 patent for invention.

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

№ 3 2019

Катодный материал состава

LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂ с покрытием

из восстановленного оксида графена

// Lithium-ion rechargeable battery cathode material LiNi_0,33Mn_0,33Co_0,33O₂

coated by reduced graphene oxide //

Корнилов Д.Ю., к. т.н.,

В автомобильной индустрии наблю-

ООО «АкКо Лаб», Москва

даются не менее важные достижения,

а именно создание высокотехнологич-

В работе приведены результаты иссле-

This article shows results of research work

ного электромобиля для повседневной

дований катодного материала литий-

which focused on a modification of lithium-

жизни. Такие именитые компании, как

ионного аккумулятора (ЛИА) состава

ion rechargeable battery cathode material

Ford Motor Co., General Motors Co., BMW,

LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂ (NMC) с покрытием

LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂ (NMC) by reduced

Renault и Tesla Motors Inc., демонстрируют

из восстановленного оксида графена

graphene oxide coating. The techniques of

сегодня успешную реализацию пригодных

(ВОГ), полученным путем обработки по-

coating is ultrasonic dispergation of cath-

к эксплуатации автомобилей с полностью

рошкообразного катодного материала

ode material powder in graphene oxide

электрическим или гибридным типом дви-

в спиртовой дисперсии оксида графена

alcoholic solution. Investigated cathode

гателя. Тем не менее с электромобилями

(ОГ). Представлены катодные матери-

materials powders with not in full com-

складывается проблема, аналогичная

алы c покрытием из восстановленного

pletely covered dense of reduced graphene

современным типам гаджетов: недо-

оксида графена толщиной не более двух

oxide layers with thickness of two layers.

статочная энергоемкость применяемых

монослоев углерода. Приведены резуль-

The physical property and electrochemical

аккумуляторов [1]. Большинство электро-

таты рентгенофазового анализа (РФА),

performance of the cathode materials were

сканирующей электронной микроскопии

characterized by X-ray diffraction, scanning

мобилей способны проехать на одном

(СЭМ), а также результаты электро-

electron microscopy, cyclic voltammetry,

заряде аккумулятора не больше пары со-

химических испытаний. Установлено

charge/discharge testing (0,1-5C). Showed

тен километров, что в условиях слабого

различие электрохимических характе-

that tested materials have different electro-

развития инфраструктуры и относительно

ристик исследуемых материалов как

chemical characteristics, as for energy den-

длительного времени зарядки (обычно

в отношении допустимой плотности

sity (117-174 mAh/g) and as for discharge

несколько часов) не позволяет им стать

токов заряда/разряда (от 0,1 до 5 С), так

current (0,1C-5C). The promising results

по-настоящему массовым продуктом.

и в отношении их энергоемкости (от 117

demonstrated synergetic effect from modi-

Таким образом, обстоятельства недо-

до 174 мАч/г). Результаты исследований

fication of cathode material by reduced

статочной энергоемкости, недостаточной

демонстрируют синергетический эф-

graphene oxide coating which showed that

скорости заряда/разряда, недостаточной

фект от модификации поверхности вы-

modified cathode material have higher

стабильности характеристик в ходе цикли-

сокоэнергоемких катодных материалов

capacity than not modified NMC when its

рования заставляют разработчиков искать

покрытием из восстановленного оксида

tested by discharge current 5C. Research

перспективные технологии в изготовле-

графена, способствующей в сравнении

work results can be used for batteries mak-

нии аккумуляторов, которые позволили

со значениями исходных образцов катод-

ing technology.

бы выпускать легкие, компактные и при

ных материалов меньшему снижению

Keywords: lithium ion rechargeable battery,

этом более емкие и мощные устройства

энергоемкости при увеличении скорости

cathode material, graphene oxide, reduced

хранения энергии.

заряда/разряда литий-ионного аккуму-

graphene oxide

Улучшение характеристик совре-

лятора. Данный эффект может найти

менных литий-ионных аккумуляторов

широкое применение в производстве

неразрывно связано с исследованиями

источников питания.

по синтезу новых или повышению эф-

Ключевые слова: литий-ионный аккуму-

фективности существующих электродных

лятор, катодный материал, оксид гра-

материалов [2]. Одним из направлений

фена, восстановленный оксид графена.

подобных исследований является анализ

Если мы посмотрим на значимые изо-

компьютеров. Однако полноценная ра-

возможности сочетания свойств катодных

бретения, которые были введены в сферу

бота таких устройств требует больших

материалов и графена - материала, об-

обычного потребления за последние

энергозатрат, при этом современные

ладающего характеристиками, весьма

20 лет, то обязательно выделим разви-

типы аккумуляторов не способны вы-

важными для работы химического источ-

тие мобильных телефонов до уровня

держивать должной нагрузки в тече-

ника тока, а именно: высокая электро-

многофункциональных смартфонов или

ние длительного периода времени, что

проводность, прочность, эластичность,

изменение компьютерной техники до

негативным образом сказывается на по-

теплопроводность, большая площадь

уровня современных высокопроизво-

требительских качествах современных

поверхности [3-10]. Еще одним преиму-

дительных ультрабуков и планшетных

гаджетов.

ществом использования графена в ЛИА

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

№ 3 2019

является возможность его поверхностной

представлены в ранее изданных публи-

перчаточного бокса PureLab HE Glovebox

модификации - в случае оксида графена

кациях [13, 14].

(США), в работе применялся электролит

содержащиеся на поверхности различные

Методика получения покрытия из

марки SelectiLyte LP71 (США) и сепаратор

функциональные группы могут являться

восстановленного оксида графена на

Dreamweaver Silver AR^TM40 (США).

основой для образования наночастиц

поверхности частиц NMC заключалась

переходных металлов. Кроме того, раз-

в обработке порошкообразного катодного

Результаты и их обсуждение

нообразие методик синтеза позволяет

материала с массой навески 5 г в спирто-

С целью анализа возможности полу-

получать как графен, так и его оксиды

вой дисперсии оксида графена объемом

чения на поверхности частиц катодного

с различными структурными и физико-

25 мл с содержанием оксида графена

материала покрытий из восстановленного

химическими характеристиками, что от-

1,7 мг/мл под действием ультразвука

оксида графена в эксперименте исполь-

крывает большие перспективы в аккуму-

(частота 22,4 кГц, удельная мощность 0,5-

зовалась навеска катодного материала

ляторостроении.

1 Вт/см³) в течение 10 минут при интен-

массой 5 г, обработка которого произво-

Целью данной работы являлось опре-

сивном перемешивании. Обработанный

дилась путем ультразвукового дисперги-

деление возможности модификации по-

по вышеописанной методике катодный

рования в спиртовой дисперсии оксида

рошкообразного катодного материала

материал отделялся из суспензии методом

графена с концентрацией 1,7 мг/мл объ-

литий-ионного аккумулятора состава

декантации, после чего производилась его

емом 25 мл.

LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂ путем нанесения на

сушка при 90ºС на протяжении 8 часов,

Методом сканирующей электронной

поверхность частиц NMC покрытия из

затем высокотемпературная термооб-

микроскопии (СЭМ) было установлено,

восстановленного оксида графена, иссле-

работка при 500°C в течение 3 часов со

что в сравнении с исходным образцом

дование полученных материалов рядом

скоростью нагрева 2°C/мин, в результате

NMC (рис. 1a, 1b, 1с) образец NMC (ВОГ),

физико-химических методов, а также срав-

которой происходило термическое вос-

полученный путем обработки навески

нение результатов их электрохимических

становление оксида графена.

катодного материала в спиртовой дис-

испытаний.

Исследование морфологии поверхно-

персии оксида графена, имеет частичное

сти катодного материала проводилось на

покрытие (рис. 1d, 1e), сквозь которое

Методы синтеза и анализа

сканирующем электронном микроскопе

наблюдаются кристаллиты катодного ма-

Применяемый в работе катодный

Zeiss Supra 40 VP (Германия). Ускоряющее

териала. Кроме того, удалось установить,

материал состава LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂

напряжение при получении изображе-

что полученное покрытие состоит из двух

был получен твердофазным методом

ний во вторичных и обратно рассеянных

монослоев углерода (рис. 1f ).

синтеза, заключающимся в смешении

электронах составляло 1-10 кВ.

На рис. 2 представлены спектры рент-

гидроксида лития и карбонатов никеля,

Рентгенофазовый анализ производил-

генофазового анализа исходного образца

марганца, кобальта в мольном соотно-

ся на дифрактометре Bruker Advanced 8

NMC и образца NMC с покрытием из вос-

шении (3:1:1:1) в планетарной шаровой

(Германия). Рабочий режим - 40 кВ, 40 мA,

становленного оксида графена, а также

мельнице в течение 2 ч при скорости 100

Cu-излучение, никелевый фильтр, диа-

для сравнения представлен типовой

об/мин. Полученный порошкообразный

пазон измерений 2θ 10-80°, шаг по углу

спектр восстановленного оксида гра-

материал подвергался термической обра-

сканирования 0,02°. При расшифровке

фена. Все рефлексы на дифрактограмме

ботке в муфельной печи при температуре

дифрактограмм использовалась база дан-

исходного образца NMC имеют высокие

900 °C в течение 16 ч в атмосфере воздуха,

ных International Centre for Diffraction Data.

значения интегральных интенсивностей

затем измельчался в шаровой мельнице

Электрохимические испытания полу-

пиков, характерные для кристаллической

и просеивался через сито с размером

ченных материалов производились на

структуры α-NaFeO₂, его структура состоит

ячейки 50 мкм. Катодный материал был

автоматизированном зарядно-разряд-

из слоев октаэдров MO₆ (M = Ni, Co, Mn)

охарактеризован современными мето-

ном измерительно-вычислительном ком-

и расположенных между ними атомов

дами физико-химического анализа. Более

плексе компании «АК Бустер» (Россия) по

лития. Рефлексы дифрактограмм исход-

детальная методика синтеза и характери-

трехэлектродной схеме в сборно-разбор-

ного образца NMC и образцов, имеющих

стики полученного NMC представлены

ных тефлоновых ячейках, где в качестве

покрытие из восстановленного оксида

в публикациях [11, 12].

вспомогательного электрода и электрода

графена, полностью совпадают, наблюда-

Применяемый в работе оксид графена

сравнения применялся металлический ли-

ется различие только в снижении интен-

был получен путем окисления природного

тий. Электроды для проведения электро-

сивности пиков для образца NMC (ВОГ).

графита (содержание углерода 99,9 мас.%)

химических испытаний были выполнены

Однако наличие уширенного рефлекса

методом Хаммерса. Для получения дис-

следующим образом: гомогенизирован-

(2Θ = 25,5°), характерного для восстанов-

персии ОГ с концентрацией 2 мг/мл наве-

ную смесь (90% катодный материал, 5%

ленного оксида графена, в образце NMC

ску ОГ необходимой массы обрабатывали

ацетиленовая сажа (Timcall), 5% поливи-

(ВОГ) обнаружить не удалось, что, воз-

в этиловом спирте под действием ультра-

нилиденфторид (PVDF), растворенный

можно, связано с низким содержанием

звука в течение 20 мин (частота 22,4 кГц,

в N-метилпироллидоне) наносили на алю-

ВОГ в массиве катодного материала.

удельная мощность 0,5-1 Вт/см³). Полу-

миниевый токосъем размером 15×27,5 мм

По результатам электрохимического

ченная дисперсия содержала чешуйки

и сушили при температуре 80°C в течение

циклирования была установлена удель-

ОГ латеральным размером от 0,1 до 4 мкм

1 часа, затем производилась вакуумная

ная емкость исходного катодного мате-

и толщиной до 1,5 нм, охарактеризован-

термообработка при 120°C в течение

риала в 174 мАч/г при токе разряда С/2,

ные современными методами физико-

12 часов. Сборку тестовых электрохими-

при этом стабильность емкостных харак-

химического анализа. Более детально

ческих ячеек производили в среде вы-

теристик сохранилась на протяжении 50

методика синтеза и характеристики ОГ

сокочистого аргона с использованием

циклов, падение емкости составило 6%.

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

№ 3 2019

а)

с)

е)

Рис. 1. СЭМ микрофотографии катодных материалов: a, b, c - исходный образец NMC; d, e, f - образец NMC c покрытием из восстановленного

оксида графена

покрытий ВОГ. Кроме

энергоемкость данной группы матери-

того, в первых циклах

ала увеличилась и к 50-му циклу заря-

заряда/разряда на-

да/разряда составила 147 мАч/г. Рост

блюдалось различие

энергоемкости по мере циклирования

электрохимических

может быть связан с электрохимическим

потенциалов (рис. 3),

восстановлением оксида графена [15]

а именно: зарядная

и увеличением электропроводности ма-

кривая в образцах,

териала, но не вполне достаточным для

содержащих пленку

полноценной работы катодного матери-

из восстановленного

ала в сравнении с исходным NMC. Кроме

оксида графена, имела

того, имеется предположение о препят-

на 0,1 В меньший по-

ствии покрытия ВОГ для интеркаляции/

Рис. 2. Дифрактограммы РФА: а - исходный образец NMC;

тенциал по отношению

деинтеркаляции ионов лития в структуру

b - образец NMC (ВОГ); c - образец ВОГ

к литию, чем в случае

катодного материала.

с исходным образцом

Более наглядные отличия свойств

Для образцов катодных материалов, по-

NMC, и наоборот, при разряде образцы,

были установлены в ходе электрохими-

крытых слоем восстановленного оксида

содержащие пленку из восстановленного

ческих испытаний материалов с увеличи-

графена, на первых циклах заряда/разря-

оксида графена, имели на 0,01 В больший

вающейся нагрузкой при разряде. Уста-

да характерны значения низкой энерго-

потенциал по отношению к литию, чем

новлено, что емкость образцов NMC (ВОГ)

емкости 120 мАч/г, что, возможно, связано

исходный образец. По мере продолже-

при разряде током 2С составила 90 мАч/г,

с недостаточной электропроводностью

ния электрохимического циклирования

а при разряде током 5С - 73 мАч/г, при той

Рис. 3. Кривая заряда/разряда (0,1С/0,1С) опытных образцов катодов по

Рис. 4. Зависимость удельной разрядной емкости

отношению к литию: a) - исходный образец NMC; b) - образец NMC (ВОГ)

от скорости циклирования

Современные технологические процессы,

оборудование, материалы

№ 3 2019

же нагрузке емкость исходных образцов

3. Mo М., Chen H., Hong X., Hui K., Ye C., Lai K.

рактеристики литий-ионного аккумулятора //

не превышала 93 мАч/г при токе разряда

Hydrothermal synthesis of reduced graphene

Неорганическая химия, 2016, № 9, том 61. -

2С и 65 мАч/г при токе разряда 5С.

oxide-LiNi0,5Mn1,5O4 composites as 5 V cath-

С. 1211-1217.

ode materials for Li-ion batteries // J Mater Sci,

13. Корнилов Д.Ю., Губин С.П., Чупров П.Н.,

Выводы

2017, vol. 52. - P. 2858-2867.

Рычагов А.Ю., Чеглаков А.В., Карасeва А.С.,

На основе полученных эксперимен-

4. Chen W., Hsieh C., Weng Y., Li F., Wu H., Wu N.

Краснова Е.С., Воронов В.А., Ткачев С.В., Ка-

тальных результатов была установлена

Effects of a graphene nanosheet conductive ad-

шарина Л.А. Восстановленный оксид графена

возможность модификации катодного

ditive on the high-capacity lithium-excess man-

в качестве защитного слоя токового коллек-

материала состава LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂

ganese-nickel oxide cathodes of lithium-ion

тора катода литий-ионного аккумулятора //

тонкопленочным покрытием из восста-

batteries // J Appl Electrochem, 2014, vol. 44. -

Электрохимия, 2017, № 6, том 53. - C. 69-73.

новленного оксида графена, полученным

P. 1171-1177.

14. Губин С.П., Рычагов А.Ю., Чупров П.Н., Тка-

путем обработки порошкообразного

5. Shim J., Kim Y., Park M., Kim J., Lee S. Reduced

чев С.В., Корнилов Д.Ю., Алмазова А.С., Крас-

катодного материала в спиртовой дис-

graphene oxide-wrapped nickel-rich cathode

нова Е.С., Воронов В.А. Суперконденсатор на

персии оксида графена с последующей

materials for lithium ion batteries // ACS Appl.

основе электрохимически восстановленного

высокотемпературной обработкой.

mater. Interfaces, 2017, vol. 9. - P. 18720-18729.

оксида графена // Электрохимическая энеге-

Определены основные энергоемкостные

6. Wu H., Liu Q., Guo S. Composites of graphene

тика, 2015, № 2, том 15. - C. 57-63.

характеристики модифицированных ка-

and LiFePO4 as cathode materials for lithium-

15. Рычагов А.Ю., Губин С.П., Чупров П.Н., Кор-

тодных материалов, демонстрирующие

ion battery: a mini-review // Nano-micro let,

нилов Д.Ю., Карасева А.С., Краснова Е.С., Во-

в сравнении с исходным NMC увеличение

2014, vol. 6. - P. 316-326.

ронов В.А., Ткачев С.В. Электрохимическое

разрядной энергоемкости при токах раз-

7. Wia S., Kim J., Nama S., Kang J., Lee S., Woo H.,

восстановление и особенности электропро-

ряда 5С, а именно 73 мАч/г, в отличие от

Lee M., Sonu C., Moon T., Park B. Enhanced rate

водности пленок оксида графена // Электро-

значений емкости не модифицирован-

capability of LiMn0,9Mg0,1PO4 nanoplates by

химия, 2017., № 7, том 53. - C. 1-7.

ного катодного материала (65 мАч/г) при

reduced graphene oxide/carbon double coat-

аналогичной нагрузке. Но в слаботочных

ing for Li-ion batteries // Current applied phys-

Корнилов Денис Юрьевич

режимах работы катодный материал, со-

ics, 2014, vol. 14. - P. 725-730.

Родился в 1983 году. В 2005 году окончил

держащий покрытие из восстановленно-

8. Ma X., Chen G., Liu Q., Zeng G., Wu T. Synthe-

Северо-Кавказский государственный техни-

го оксида графена, продемонстрировал

sis of LiFePO4/Graphene nanocomposite and its

ческий университет по специальности «Тех-

меньшие значения энергоемкости (не бо-

electrochemical properties as cathode material

нология и оборудование для производства

лее 147 мАч/г) в сравнении с катодным

for li-ion batteries // Journal of Nanomaterials,

полупроводников, материалов и приборов

материалом, не имеющим подобного

2015. Article ID301731, 6 pages.

электронной техники». Кандидат технических

покрытия (174 мАч/г). Данный факт, воз-

9. Chen D., Quan H., Luo S., Luo X., Deng F., Ji-

наук. В 2008 году защитил диссертацию по

можно, связан с относительно высоким

ang H. Reduced graphene oxide enwrapped

теме «Разработка технологических принци-

электрическим сопротивлением покрытия

vanadium pentoxide nanorods as cathode ma-

пов создания композиционных материалов

ВОГ, но также имеется предположение

terials for lithium-ion batteries // Physica., 2014,

на основе наночастиц кобальта в матрице

о препятствии покрытия ВОГ для обрати-

vol. 56. - P. 231-237.

полистирола». Опыт работы - 10 лет. В насто-

мой интеркаляции/деинтеркаляции ионов

10. Fang X., Ge M., Ronga J., Zhou C. Graphene-

ящее время работает заведующим лаборато-

лития в структуру катодного материала

oxide-coated LiNi0,5Mn1,5O4 as high voltage

рией в ООО «АкКо Лаб». Имеет 10 публикаций

при электрохимическом циклировании.

cathode for lithium ion batteries with high

и 9 патентов на изобретение.

Для детального описания характера и ме-

energy density and long cycle life // J. Mater.

ханизма такого влияния необходимы до-

Chem. A., 2013, vol. 1. - P. 4083-4088.

Kornilov Denis

полнительные исследования, которые

11. Воронов В.А., Швецов А.О., Губин С.П., Чегла-

Was born in 1983. In 2005 he graduated from

будут проведены в следующих работах.

ков А.В., Корнилов Д.Ю., Карасeва А.С., Красно-

North Caucasus State Technical University with

ва Е.С., Ткачев С.В. Сравнение основных физико-

a degree in Technology and equipment for the

Литература

химических свойств сложных оксидов состава

production of semiconductors, materials and

1. Link A.N., O’Connor A., Scott T. J. Battery tech-

LiNi_xMn_yCo_1-x-yO2 (0,3 ≤ x ≤ 0,6; 0,2 ≤ y ≤ 0,4), по-

electronic devices. Candidate of engineering

nology for electric vehicles: public science and

лученных различными методами // Перспектив-

sciences. In 2008 he defended his thesis on the

private innovation // Earthscan from Routledge,

ные материалы, 2016, № 8. - С. 5-15.

topic Development of technological principles

2015. - P. 130.

12. Воронов В.А., Швецов А.О., Губин С.П.,

for the creation of composite materials based on

2. Ferrari A. et al. Science and technology road-

Чеглаков А.В., Корнилов Д.Ю., Карасева А.С.,

cobalt nanoparticles in a polystyrene matrix. Has

map for graphene, related two-dimensional

Краснова Е.С., Ткачев С.В. Влияние метода

10 years of working experience. At present he is

crystals, and hybrid systems // Nanoscale, 2014.

получения катодного материала состава

a head of Laboratory in Akko Lab LLC. Has 10 sci-

DOI: 10.1039/C4NR01600A.

LiNi_0,33Mn_0,33Co_0,33O₂ на электрохимические ха-

entific publications and 9 patents for inventions.

Информация

№ 3 2019

Сведения об авторах

К. т.н.,

К. т.н.

Дебелов Владимир Валентинович

Люминарская Екатерина Станиславовна

+7-495-456-57-00

+7-905-508-92-14

Дураков Дмитрий Николаевич

Сорокин Дмитрий Александрович

+7-499-196-92-49

+7 964 790 30 02

Д. т.н., профессор

Андреев Антон Андреевич

Герман Леонид Абрамович

+7-906-129-52-92

+7-908-769-94-26

Бондаренко Анна Викторовна

Д. т.н., профессор

+7-343-221-24-21

Зарифьян Александр Александрович

+7-989-625-48-99

Коняев Иван Васильевич

+7-910-241-72-76

Д. т.н., профессор

Косарев Александр Борисович

К. т.н.

+7-499-260-41-02

Корнилов Денис Юрьевич

+7-903-257-10-00

ТРЕБОВАНИЯ К РЕКЛАМНЫМ И АВТОРСКИМ МАТЕРИАЛАМ

Рекламные материалы принимаются в форматах «.cdr», «.eps» или «.tif» (300 dpi). Цветовая модель - CMYK.

Все шрифты должны быть переведены в кривые.

Авторские материалы. Текст статьи в формате «.doc» (Microsoft Word). Обязательно наличие аннотации, ключевых

слов и списка используемой литературы. Название статьи, аннотация и ключевые слова должны быть переведены на

английский язык. Все рисунки в форматах «.cdr» или «.eps», фотографии - в формате «.tif» (300 dpi). Каждый рисунок или

фотография должны быть представлены отдельным файлом.

СТОИМОСТЬ ГОДОВОЙ ПОДПИСКИ:

Печатные материалы, используемые в журнале, являются

(6 номеров) - 6 000 руб., в т.ч. НДС 20%

собственностью редакции.

Оформить подписку можно:

- через редакцию - необходимо направить по факсу или

При перепечатке ссылка на журнал обязательна.

электронной почте заявку с указанием банковских рекви-

зитов, наименования организации (фирмы), точного по-

Полученные материалы не возвращаются.

чтового адреса и количества комплектов журнала.

Тел./факс: (495) 500-40-20 e-mail: npptez@mail.ru;

Редакция оставляет за собой право корректорской

- через ОАО «Агентство Роспечать» - по Каталогу изданий

и редакторской правки публикаций без согласования

органов научно-технической информации 2019 г., индекс

с авторами.

59990.

Журнал распространяется через редакцию по адресной рас-

СТОИМОСТЬ РЕКЛАМЫ:

сылке, через ОАО «Агентство Роспечать», на специализиро-

2-я и 3-я страницы обложки - 24 000 рублей;

ванных выставках и симпозиумах.

4-я страница обложки - 30 000 рублей;

одна страница внутри журнала - 12 000 рублей.