Анализ средств и способов защиты автомобильных электрических сетей от коротких замыканий



В статье авторы рассматривают различные способы защиты автомобильных электрических сетей от короткого замыкания.

Ключевые слова : надежность, вероятность безотказной работы, предохранители.

Электрическая сеть постоянного тока на автомобилях выполнена в виде однопроводной системы передачи электроэнергии, с номинальным напряжением 12 или 24 В, недостатком которой является повышенная вероятность возникновения короткого замыкания на «массу», т. к. общим токопроводом для всех изделий электрооборудования является корпус («масса») автомобиля. Двухпроводная система передачи электрической энергии применяется на автомобилях в редких случаях, например, для фонарей огней стоянки, которые должны работать независимо от положения выключателя «массы», звуковых сигналов, подключаемых без промежуточного электромагнитного реле и. др.

Защита электрических цепей от коротких замыканий и перегрузок осуществляется плавкими и термобиметаллическими предохранителями, а также плавких вставок и позисторов. Основной характеристикой предохранителей, определяющей эффективность их действия, является ампер-секундная характеристика, представляющая собой зависимость времени срабатывания предохранителя от величины тока нагрузки.

Предохранитель защищает провод, если его ампер-секундная характеристика проходит ниже, чем таковая у провода в зоне действующих перегрузок.

Существуют следующие виды предохранителей, используемых в автомобилестроении:

1. Плавкие предохранители снабжены калиброванной ленточкой, расплавляющейся, если ток в цепи достигает опасных значений.

У малогабаритных предохранителей штекерного типа калиброванная ленточка помещена в пластмассовую оболочку, что увеличивает скорость их срабатывания. Увеличение времени срабатывания достигается также формой и размерами плавкой ленты. Плавкие предохранители обычно объединяются в блоки.

Плавкая вставка представляет собой отрезок провода, сечение которого вчетверо меньше сечения защищаемого ею провода.

2. В термобиметаллических предохранителях защищаемая цепь разрывается при прогибе биметаллической пластины с подвижным контактом при прохождении по ней тока опасной величины. Термобиметаллические предохранители обладают по сравнению с плавкими более инерционные зоне больших перегрузок и более чувствительные в зоне малых перегрузок , поэтому их обычно применяют в цепях защиты электродвигателей.
3. Позистор представляет собой вид полупроводникового терморезистора, у которого сопротивление при достижении определенной температуры (точки Кюри) скачкообразно возрастает во много раз.

Когда ток, протекающий через позистор, достигает критической величины, нагрев позистора достигает точки Кюри, и он резко увеличивает свое сопротивление, защищая цепь от перегрузки. Схема приходит в нормальное состояние только после снятия напряжения.

Отрицательный вывод аккумуляторных батарей присоединен к раме через контактор «массы», поэтому все потребители электроэнергии от аккумуляторных батарей работают только при включенном контакторе «массы».

Распределение электроэнергии централизованное: провода от источников питания идут к центральному распределительному устройству, которое подключает потребители к источнику электроэнергии. В качестве распределительного устройства на автомобилях служит щиток приборов, на котором расположена основная защитная и коммутационная аппаратура, который также применяется для облегчения нахождения неисправностей в электрической сети, монтажа и замены жгутов, а также предохранителей.

Рис. 1. Щиток приборов на ВАЗ 2123

Рассмотрим невосстанавливаемую техническую систему (ТС), состоящую из (n-m) последовательно соединенных элементов, где m — число резервных элементов, находящихся в ненагруженном резерве, n — общее число элементов резервированной системы (т. е. основных и резервных).

Требуется провести сравнительный анализ надежности ТС при общем резервировании замещением и скользящим резервированием при следующих исходных данных и допущениях:

1. Все n элементов равнонадёжны:

(1)

Поскольку надежность ТС рассматривается на некоторый заданный контрольный момент времени t (одинаковый для всех элементов), то справедливо:

(2)

2. Отказы элементов — события независимые.
3. Законы распределения наработки до отказа всех элементов одинаковые

(3)

Для элементов справедлив экспоненциальный закон распределения наработки до отказа

(4)

4. Переключатели резервных элементов — идеальные.

Исходные данные для проведения исследования были взяты из сборника [3]. Для одного элемента интенсивность отказов λ=0.011*10– ⁶ 1/ч, для цепей, состоящих из 2, 3 и 4 элементов интенсивность отказов будет равна: λ ₂ =0.022*10– ⁶ 1/ч, λ ₃ =0.033*10– ⁶ 1/ч и λ ₄ =0.044*10– ⁶ 1/ч, соответственно.

Расчет показателей надежности, а именно вероятность безотказной работы (ВБР) и среднее время наработки до отказа, будем производить по следующим формулам:

Для резервированной ТС с общим замещением:

(5)

где

1/ч;

, (6)

где ч.

Для резервированной ТС со скользящим замещением:

, (7)

где 1/ч;

(8)

Расчет ВБР будет производиться для периодов времени равным 1 год, 3 года и 5 лет, для расчетов переведем эти значения в часы, получим следующие значения: 8760 часов, 26280 часов и 43800 часов, соответственно, данные промежутки времени были выбраны не случайно, а согласно периодичности проведения технических осмотров и промежуточных значений.

В результате проведенных расчетов были получены следующие значения, приведенные на графиках ниже.

Рис. 1. Зависимость ВБР от количества элементов в системе со скользящим резервированием

Рис.3. Зависимость ВБР от количества элементов в системе с общим резервированием

На графиках видны зависимости ВБР от количества элементов в системе при 5 годах наработки до отказа, цифрами 1,2 и 3 обозначено, количество элементов в зависимости (n-m)*2, 3 и 4 соответственно, при этом на графиках явно видно, что чем больше элементов замещения, тем выше показатель ВБР.

В результате всего вышесказанного можно сделать вывод, что система, резервированная методом скольжения, имеет более устойчивые показатели надежности, а также является менее затратной и простой в эксплуатации.

Литература:

1. Электрооборудование автомобилей. В. Е. Ютт, Москва, «Транспорт», 1989.
2. Автотракторное электрическое и электронное оборудование. В. А. Набоких, Москва «Горячая линия — Телеком», 2008.
3. Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств, С. М. Боровиков, И. Н. Цырельчук, Ф. Д. Троян.