автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Автоматические способы температурного контроля и защиты контактного провода электротранспорта

ХАРК1ВСБКИИ ДЕРЖАВШИ П0Л1ТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРСИГЕТ

На правах рукопису

Толст1ков Микола Григорович

АВТ0МАТИЧН1 ЭАСОБИ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОНТРОЛЮ ТА ЗАХИСТУ КОНТАКТНОГО ДРОТУ ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТУ

03.11.13 - прилади 1 методи контролю та захисту навколишнього середовща, речовин, матер!ал!в та вироб!в

Автореферат дисертацП на здобуття наукового ступени кандидата техн1чних наук

Толе,-

Харк1в - 1997

Дисертаиия € рукопис.

Робота вшсонана у Харк1вському дер*авноиу автомо<Ильно-дорожному техн!чному ун!верситет1.

Науковий кер1вяик - заслужений д!яч науки 1 техн1ки Укра1ни, доктор техн1чних наук, професор, Тирса Валентин 6встаф1йович.

0ф1ц1йн1 опоненти - доктор техн1чних наук, професор, Кузнецов Борис 1ванович;

кандидат техн1чних наук, доцент Мащенко Тетяна ГеоргПвна.

Пров1дна орган1зац1я - Харк1вська державна академ!я

зал!зничного транспорту.

Захист в1дбудеться •>А У " 1997р. о ^Л~годин1

на зас!данн1 спец1алазовано1 вчено'1 ради Д 02.09.11 у Харк1вськом] державному пол!техн1чному ун!верситет1 за адресов: 310002, Харк1в-2, МСП, вул. Фрунзе, 21.

3 дисертац1бю можна ознайомитися у б1<5л1отец! Харк1вськог< державного пол!техн1чного ун1верситету.

Автореферат роз! с ланий 1997 р.

Вчений секретар спец1ал1зовано! вчено! ради

Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1оть досл!дження. За сучасних умов прискорення науково-техн!чного прогресу п1двищуеться роль електричного транспорту. Над1йн1стъ та ефективн!сть його робота значков м!рою визначаеться системою електропостачання, одним з основних елемент!в яко! е контактна мережа, що не мае резервних елемент!в i п1длягае несприятливим впливам чиоленних фактор1в. Тому над!йний захист контактно! мереж! в!д коротких замикань та перевантажень, як! викликають пошкодження електрообладнання, та в!дпал контактного дроту, що дорого коштуе, е необх!дною умовою зб!льшення пропускно! та np0Bi3H0'i здатност! живлячих л!н!й електротранспорту.

1снуюч1 техничн! засоби контролю ! захис(гу контактно! мереж!, базовая! на методах прямого й непрямого контролю температури контактного дроту, не забезпечують повною м!рою над!йного захисту контактно!. мереж!. Вони реал!зують максимальн! струмовий та !мпульсний захисти, потешийний, дистанц!йний i високочастотний захисти, пристро!, що реагують на характер перем1ни струму короткого замикання, струмочасов1 захисти тощо. При цьому не забезпечуеться спрацювання захисту при малих струмах короткого замикання в контактн!й мереж!, а також трапляються невиправдан! вимикання мереж! при безпечних для не! короткочасних niKax струму.

BiflMiHHOt особлив!стю системи захисту контактно! wepexi пост!йного струму е BiflcyraicTb резервного захисту у зв'язку з обмеженою можлив!стю контролю електричних параметр!в електротягово! мереж1 за умов тягово! п1дстанц!!, а це не в1дпов1дае вимогам правил експлуатацП електроустановок.

Особливо! важливост! це завдання набувае тепер, коли ч!тко визначилась тенденпдя до зростання максималъних тягових навантажень у зв'язку з !нтенсиф!кац1ею руху та прогресуючим запровадженням паралельно! робота в тяговift мереж1.

Для створення ефективного захисту контактно! мереж! електротранспорту необх!дно скористатися ймов!рн!сно-статистичними методами, що враховують випадковий характер тягового навантаження, або розширити обсяг ознак режиму роботи, що контролюються, закрема, контролювати температуру контактного дроту.

ДисертацШа робота виконувалась зг1дно з планом техн1чного розвитку Харк!вського державного п!дприемства (ХДГО "М!ськелектротранс", розробленим на виконання Постанови Каб!нету MiHicTpiB Укра!ни N91 в!д 14.12.94р. "Про реал1зац1в Национально!

3

програыи пол!пшвння стану безпеки, г!г!ени npaiu та виробничого середовища на 1994-2000рр." i Постанови Верховно! Ради Укра1ни N75/94-BC в1д 1.07.94р. "Про енергозбереження".

Мета та ochobhI завдання. Метою дисвртац1йно! робота е досл1дження характеру переы1ни струм1в у контактн1Й мереж! електротранспорту та створення автоматичних пристро!в II захисту. Для досягнення uie'i мети необх!дно вир1шити так1 завдання:

1. Проанал1зувати методи й засоби захисту мереж пост1йного струму В1Д струм1в короткого замикання.

2. Розробити математичну модель на баз! експериментального досл!дхення струм1в навантаження тягово! п1дстанцИ.

3. Розробити автоматичн1 засоби захисту контактно! мереж! електротранспорту вЛд вЛдпалу, який викликають тривал1 перевантаження та коротк1 замикання.

11ров1дн1 положения теорН, принцип1в розрахунку i проектування пристро!в захисту контактно! btepexi в1д коротких заыикань та перевантажень викладено у працях учених К. Г. Марквардта, Г. Г. Марквардта, С.М. Серд!нова, С. Д. Соколова, М. Д. Сухопрудського, В. Я. Овласвка, Е. П. Фигурнова, Б. I.Косарева, В.М.Пупин1на та 1н.

Розвитков! i розв'язанню прикладних питань релейного захисту електротранспорту в галуз1 теорН ймов!рностей та математачно! статистики, теорН випадкових фунюЦй присвячен1 npaui Г. Г. Марквардта, Г.М.Каялова, В.1.Гордеева, Ю.М. HiKiTiHa та iH.

У галуз1 теорН HarpiBy дрот!в контактно! мереж1 дисертац1я базувалась на результатах досл1джень учених О.В. Ворон1на, А.А.Порцелана, н!мецьких учених Г.Готтера, А.Шака та !н.

У c$epi розробки техн1чних засоб1в для реалхзадИ теплового захисту в дисертацП використовувались результата роб!т учених A.C.Бочева, Е.П.Ф!гурнова, учених Шмеччини, ЯпонП, 4exi'i та iH.

Методи досл!дження. Поставлен! в poöoTi завдання вир!шувалися з використанням теоретичного анал!зу на основ! Teopi'i ймов1рностей та математачно! статистики, Teopii випадкових фунгаЦй, теорН релейного захисту, теорН електричних ! магн!тних ланцюг!в, а також на баз! електрон!ки, термодинам!ки та рад1отехн1ки. У процес! експерименталыгах досл!джень використовувались методи безпосереднього м1ряння струм!в, напрут i температури за допомогою вим!ровально! техн!ки.

Наукова новизна дисертагЦйно! робота полягае у розробц! математачно! модел! струм!в навантаження контактно! мереж!

4

лектротранспорту, на основ1 яко! визначено снЦнки ампл!туди й ривалост! струм!в перевантаження.

Основн! положения, що виносяться на захист:

1. Математична модель струм1в навантаження контактно! мереж1.

2. Електронний захист контактно! мереж! електротранспорту.

3. Дилатометричний пристр1й захисту контактного дроту в1д !дпалу, який викликають коротк! замикання 1 перевантаження.

Достов1рн1сть результата забезпечуеться коректною постановкою авдання розробки засоб!в захисту контактного дроту в!д в1дпалу, :омплексним характером дссл!джень, пор!внянням теоретичних юзрахунк!в та експериментальних результат1в, практичним 1дтвердженням наукових положень та висновк!в.

Практична ц!нн!сть робота полягае в розроботЦ математично! юдел1 струм1в навантаження п!дстанц!! й автоматичних засоб!в махисту контактно! мереж! в!д в!дпалу, що викликаеться короткими амиканнями й перевантаженнями - електронного струмочасового захисту | урахуванням статистичних оцшок граничних значень струму ! часу ¡еревантаження та дилатометричного захисту контактного дроту, що ислючае датчик температури, який встановлюеться на контактному дрот! > м!жп!дстанц1йн!й зон!, а також приймально-передавальний пристр!й, гай сигнал!зуе про виникнення перегр!ву.

Реал1за;ия результата робота. Електронний захист контактно! юреж! електротранспорту впроваджено на ХЛП "М!ськелектротранс". Для [илатометричного термореле розроблена конструкторська й техн!чна ;окументац!я, необх!дна для його виготовлення й натурних гапробувань. Термореле реал!зуеться на недорогих техн!чних элементах, як1 сер!йно випускаються п1дприемствами Укра!ни, без (апровадження ун!кально! технологи. Шсля виготовлення термореле ¡уде використовуватися в ХДП "М!ськелектротранс".

Апробац!я робота. Основн! положения та результата доелЖжения шов!дались та обговорювались на м1жнародн1й науково-практичн!й :онференцИ "П'€зотехн!ка-94" СРос!йська академ!я наук та Томський ЕПУ, 1994р.3, на м1жнародн1й науково-техн!чной конференцН "Контроль :а управляя в техн1чних системах" СВ!нницький ЛГУ та 1К !м. >. М. Глушкова НАН Укра!ни, 1995р.), на аор!чних науково-техн!чних :онференц1ях викладач1в ХДАДГУ С1993-1996 рр.), на зас!даннях [ауково-техн!чно! ради ХДП "М!ськелектротранс" С1993-1996 рр.).

Публ!кац!1. За темой дисертаиП опубликовано 6 статей, тези 1вох допов!дей, депоновано 6 рукопис1в, подано заявку на винах!д.

5

Структура та обсяг ооботи. ДисертэдЦя складаеться !з вступу, п'яти роздШв, висноыив, чотирьох додатк1в 1 м1стить 138 отор1нок друкованого тексту, 30 малюнк!в, 23 таблиць, списку використаних джерел 1з 228 найменувань.

ЗМ1СТ Р0Б0ТИ

У вступ! обгрунтовано актуальн!сть теми, визначено мета ! завдання досл1дхення, наукова новизна, теоретична 1 практичне значения робота, сформульовано положения, як1 виносяться на захист.

У першому роздШ подаеться анал1з метод1в й засоб1в захисту мереж1 пост!йного струму В1Д струм!в короткого замикания. Розглянуто методи прямого й непрямого контролю температури контактного дроту й приотро! захисту, но реал1зуються на '¿х основ1. Показано перспективность захисту контактно! мереж!, цо враховують випадковий характер тягового навантаження, а також захисту контактно! мереж!., що базуеться на метод1 прямого контролю температури контактного дроту, для створення ефективного захисту контактного дроту в1д в1дпалу, який викликають перевантаження 1 корона замикання.

У другому роздШ проведено досл1дкення струм1в навантаження тягово! пхдстанцЛ й розроблено математичну модель на баз1 отриманих експериментальних даних.

Основне положения: нормальний закон розпод!лу генерально! сукупност1 струм1в навантаження II j, де 1 - номер добово! реал1зацИ С 1=16), а j - номер перетину СЛ=48) ансамблю реал!зац1й.

Перев1рка тягового навантаження, яке е випадковою функц1еЕ часу, на стац1онарн1сть й ергодичн!сть проводилась за виборкою кроком 30 хвилин 768 значень струму навантаження, яке м! стать 16 добових реал1зацДй по 48 зам1р!в у кожн1й. Алгоритм розрахунку такий: розрахунок оц!нок середнього значения 1 дисперсП за добовими реал!зац!ями, за перетинами ансамблю 1 за вс1м обсягом 1нформацП; оц!нки дисперсП середн1х у реал1зац1ях 1 перетинах; перев1рка г1потези нормальност1 !х розподЛлу. Для добових реал1зац!й гшотеза протир1чить експериментальним даним, тому для подальшо! перев1рки взято непараыетричш критерП.

Перев1рка стац1онарност1 проводилась пор1внянням оценок математичного сжуцвання Й* I дисперсП Йх у перетинах з 1х ансамблевими значениями за такими параметрами: розмах в1дхилення, критер1й тренда 1 критер1й серп, середньоквадратичне вхдхилення оц1нок, в1днесене до !х ансамблевого значения. За результатами розрахунку зроблено висновок, що струм навантаження тягово!

6

пдстанцП мае стагцонарним за математичним спод1ванняы 1 1исперс1ею. Перев1рка гшотези нормальност1 розподхлу середн1х за кретинами й реал1зац1ями дала позитивн1 результата. Лобов1 цисперсИ можуть бути описан1 нормальним розпод1лом т1льки у першому 1аближеши, г1потеза нормальност1 дисперс1й за перетинами ансамблю лротир1чить даним експерименту.

Перевхрка ергодичност1 тягового навантаження за математичним зпод1ванням 1 дисперс1ею проведена за допомогою однофакторно! модел1 аисперс!йного анал!зу з використанням Г-розпод1лу. Другим видом анал!зу € визначання в!дсотка попадания оц1нок за реал!зац1ями в юв1рчий ].нтервал ансамблево! оц1нки при 3-х р!внях значимое^. Розгляд показав, що випадковий процес зм!ни струм1в навантаження € эргодичним за математичним спод!ванням 1 дисперс1ес.

Досл1дження закон1в розпод1лу тягового навантаження дозволив зиявити вплив деяких фактор!в на форму криво! розпод1лу, а також яакреслити меж1 практичного використання того чи 1ншого розпод1лу. Цля апроксимацП експериментальних даних використано емп1ричн1 розпод!ли Джонсона, як1 трьома вих1дними фунюЦями охоплвють усю плотину можливих розподШв, Алгоритм перебачае розрахунок оцд.нок асиметрП та ексцесу, за якими робиться виб1р одн1е! з трьох фунюЦй розпод1лу, розрахунок параметр1в в1дпов1дного розпод1лу та оц1нку в!дпов1дност1 апроксимуючого виразу до еих!дних даних за критер1ем X3 1 критер1ем Романовського.

Анализ результат1в розрахунку показав, що випадковий процес зм!ни струму навантаження описуеться нормальним розпод1лом.

Математичну модель струм1в навантаження описано нижче.

Припустимо, до через р1вн1 пром1жки часу з 1мов1рн1ств Р з'являються однотипн1 електропо1зди, як1 перем1Еуються дискретно по

вузлах д!лянки через час Д, 2Д..... М. Конф1гурац1ю по!зд1в на

¡илянц! в момент I позначимо ХС1Э=СХоСЪЗ, ... ХяШ). Позначимо через 1к струм, який виникае в К-Т1Й точц!. Якщо там знаходиться електропо!зд, тод1

N N

1фШ = У 1к Хксгз або 1фСпДЗ= У Хк+п, Ш

к=о к=о

К " 1о+. . . +1И+1

М1фШ=2 1к МйсС«=Р 2 -Щ-РСН+13, С2)

И К J2 + >+12

DI$CtD= I 1= DXkCU=P*Q-P) l I? = -Si1 P<N+1H1-P). (3)

k=o fc=o

Якао U ) N, то coyC1фС t),1фС t+иД)) =0, якщо U < N atío U=N, то

m к N

covCI$Ct),I$Ct+uA))=covC J Ik Xk, £ Ik Xk+u) = ^ I* Ik-u Mk=

k=o k=o k=o

IoIu+. .. +IN-UÏN

=PC1-P) У Ik Ik-u= -jkj-PCN+DCl-P). С4)

k=o

Тут величина PCN+1)=\ - середне число електропо!здав. Якщо к1лыисть вузл1в N чимала, ].нтенсивн!сть X фасована, то P=X/CN+1) мала. Тод1, згхдно з центральною граничною теоремою та результатами анал1зу досл1джуваного матер1алу, можна ввахати, то величина 1фШ мае нормальний розпод1л. Параметри нормально! апроксимацП можна визначити при переход! до границ! при N— оо. Для формал!зацП цього граничного переходу введемо параметризац!ю по довжин! д!лянки.

Позначимо через 1 точку, в як!й знаходиться електропо!зд через час C1/L)*N*A п!сля його появи на д!ляшЦ. Час проходження д1лянки

Т=К*Д, а зам!сть дискретного набору струм!в lo..... In введемо

функц!ю ICI), 0 < 1 < L, так до Ik = ICKxL/Ю. Тод! можна апроксимувати випадковий процес 1фС1) !деал1зованим гауссовським процесом ТфСЪЭ з середн!м XI, дисперс!ею XI2 i ковар!ац!йною фунюЦею KCt) Свона дор!внве 0 при t > Т).

Тод i математичне спод1вання i дисперс!я випадково! величини ZCto) - частки часу на 1нтервал1 [0,to], яку процес^^Ct) проводить вице деякого р!вня А, мае вигляд

- х

MZCto)=l-$C А~И ), где ФСХ)= Д Г expC-y^dy (5)

K<t >

to К<о) -

DZCto)= jCl-t/toDdt S exp (- кг07Шу))С1"^Г°'0с1у СЮ о о

У тсетьому розд!л! розроблено електронний захист контактного дроту з урахуванням граничних значень струму i часу навантаження. Описано аналоговий та цифровий вар1анти струмочасового захисту.

8

Принцип д11 електронного захисту базуеться на контрол! с1лькост1 вид!леного в контактному дрот! тепла Q при проходжеши по шому струму I, тобто захист мае вимикати електропостачання сонтактно! мереж! за умови

I > Iy i t > Т ado Ikïnin < I < Iy i T < t < IyxT/I, С S > Sy або Q > Qy ), C7)

гричому 1у=1ош й T-Tcm, де lam i Tom - оц1нки ампл!туди й тривалост! JTpyMiB перевантаження, S - ампер-секундна плота, T0dT0 площа, яка ¡находиться nifl кривою ICt) (мал. 1), Iksmin - мШмальне значения гтруму короткого замикання, 1у - струм уставки захисту, Т -гаксимальний час дП перевантажень, i не вимикати вимикач при геревантаженнях, як1 д1ють протягом часу t < Т.

Розрахунков1 значения ампл1туди й тривалост1 максимальних JTpyMiB перевантаження визначаються на основi ймов1рн1сно! модел1 !трум1в навантаження, яке е випадковою функц!ею часу, за допомогою ¡татистичних характеристик викид1в тягового струму за найб!льш ;мов!рний р!вень струму i часу перевищення цього р!вня Смал. 2).

Функц1ональну схему цифрового вар!анта захисту подано на ал. 3. Принцип д!1 захисту базуеться на перетворенн1 струму [авантаження, за допомогою перетворювача напруги на частоту ПНЧ, на :ропорц!йну йому частоту проходження 1мпульс1в f, як1 подаються на нтегруючий цифровий Л!ЧИЛЬНИК СЧ при I > Ik3min i nopiBHHHHi числа мпульс!в N, що к1льк1сно дорхвнсе S, з задании No, що к!льк1сно opiBHce So=Icm*Tcm, причому якщо N > No, то на виход1 л!чильника 'являеться сигнал. Опорна напруга Uon компаратора К пропорц1йна k3min, а вхШа напруга U - струму I. Фотограф1я експериментального разка електронного захисту контактно! мереж! приведена на мал, 4.

У четвертому роздШ даеться теоретичне Й експериментальне бгрунтування розробленого дилатометричного термореле, що базуеться а метод! прямого контролю температури контактного дроту.

Термореле е дилатометричний пристр1й з електроконтактною истемою, принцип, ni! якого базуеться на лШйному тепловому озширенн! чутливих елемент1в, що викликають замикання контакте еруючого електричного ланцюга при перевищенн! температури працювання та вимкнення електропостачання мереж!.

Структурну схему термореле показано на мал. 5, де 1 - тепловий еретворювач, 2 - передавальний пристр!й, 3 - електроконтактна истема, в - температурний д!апазон, °С; Al, h - Bifln0BiflH0 теплове одовження й лШйне перем!щення чутливого елемента, мм; U -

9

I, А

|

О Т А1 1, с

Мал. 1. Граф1чне пояснения принципа да елекгронного захисту.

I, А

1сш

с

О

Мал. 2. Гистограма струм! в навантаження. 10

Мал. 3. Функциональна схема електронного захисту.

Мал. 4. Електронний захист контактно'! мере>и. 11

Д1 2 Ь 3 и

Мал. 5. Структурна схема термореле.

вихШий сигнал захисту, В.

На основ! механ!чного розрахунку розроблено механ!чну схему термореле з чутливим елементом з 4-х стрижн1в довжиною 11=1з 1 12=1*. як! мають одну мгру свободи (мал. 6), та визначено також конструктивн! розм1ри елемент!в захисту.

Величина ходу Ь захисту е фушоиею чотирьох перем!нних Ь, Ь, а, 9 Са=а1-аг, де а1, аз - в1дпов1дно температуря! коефШенти лШйного розширення матер!ал1в чутливого елемента й ф1ксатораЗ

Ь=ЕС1» Д8,а,0)^С1а+Д12)г-(1а-ДЬ)а . С8)

0ск1льки подовження стрижн!в через нагр!вання дор!внвють Д11 =а*1> *9 ! Д1г=а*1г*в, ТО

}г=42ахв*Ьг+2а*е*1а*11 +аахвг*1аг-аа*0г*112 . С9)

Досл!дження функцИ Ь=РС1>,1а,а,в) з метою визначання 1! максимуму дозволило зд1йснити виб!р в1дпов1днях ыатер1ал1в та розм!р1в чутливого елемента й ф!ксатор1в конструкцП для заданого вим!ру температурного д1апазону за умов эабэзпечешя висохо'! чутливост1, термост1йкост!, малих величин теплово! !нерц!1 ! вартост! захисту.

Тод! вираз для ходу захисту з м!дним чутливим елементом СЬ =38ммг 1а=152мм) ! порцеляновим фиксатором мае вигляд

Ь=<|2а*в*1гС12 +Ь) = -10,8099 . (10)

Термореле сконструйовано з урахуванням параметр!в контактно! мереж!. Шдвищення чутливост! термореле до температуря контактного дроту та розширення функц!йних ыожливостей за рахунок регулювання температурного порогу спрацювання реле досягаеться ориг!нальною констругаиао термореле.

Конструктивну схему термореле приведено на мал. 7. Термореле виконано у вигляд! двох чутливих елемент1в 2-о<Зразно1 форми 1, виготовлених з контактного дроту й затиснених з обох к!нц!в у рамц1. Рамка складаегься з двох стальних кутик!в основи 6, жорстко з'еднаних м!ж собою двома порцеляновими ф1ксаторами 12, як! вжсонуе електротепяову !золяц!ю кутик1в основи. Електричний зв'язок чутливих елемент1в 1 м1ж собою та контактною мережею 9 здШнюетсья за допомогою гнучкого електричного дроту 3 такого ж перетику, як ! в контактного дроту, та затискач!в ЗГО 2, так щ.о чутлив! елементи й контактна мережа виявляються посл1довно з'еднан!. Механ1чний зв'язок чутливих елемент!в 1 м1ж собою й рамкою зд!йснюеться приварекими на 1х вигинах призматичними опорами 4, ао спираються, з одного боку, на

13

Hi* висувний 3 опори 7, щ,о регулветься, а з другого - на н1ж невисувний 14 опори 13, причому корпуси опор жорстко з'еднан1 з основою 6, а також за допомогою стикових затискач1в 8 з контактно» мережею 9. Таким чином, створюеться електромехан1чна система, то забезпечуе адекватн1сть електричного, теплового i механичного режимов робота чутливих елемент1в теплового захисту й контактного дроту електрично! мереж1.

Але для створення ефективного захисту контактно! мереж1 в1д в1дпалу необхШо розробити математичну модель теплового стану контактного дроту, за допомогою яко! можна проанал1зувати роботу релейного захисту в авар!йних режимах.

Вхдоме р1вняння теплового балансу контактного дроту мае вигляд: d6/dr +K*F*0/( c*m) -Ia xRx/C c*m) =0, CU)

де m - маса дроту, кг; с - теплоешйсть матер!алу контактного дроту, Дж/Скг*°С); R - onip дроту. Ом; т - час дП струму I, с; К -коефШент теплов1ддач1, Bt/Cm**°C); F - площа noBepxHi дроту, м*.

Пор1вняння розрахунк1в за цим р!внянням з експериментальними данимк показуе 1х icToray розб1жн1сть, оск!льки R, с, К е nepeMiHHi параметра.

Враховуючи, що R=po*Cl+<x*t)*l/S С12), с=со*С l+/?*t) С13), K^oxci+j'xi) С14}, t=0+to CIS), m=p*l*S С16), F=l*b C17) Ср-вЦлыйсть матер1алу контактного дроту, кг/г? ; S - перетин дроту, м2; а, (3, х ~ в1дпов!дно температур^ коефШенти R, с, К и t, to -температура поверхн! пров1дника й навколишнього середовита, °С), отримали

d9/dr+Ko*[ 1 +¡r* С 0+to ) *bx©/[ сохС 1 +(М 6+to ) ) xpxS-

-Ia *ро*[ 1 +а*С 0+to) ] /[ Со*С 1+/3*С 0+to)) xp*S2 3 =0 С18)

3 метою опрощення матеыатично! модел! теплового стану контактного дроту необххдно провести досл!дження 11 параметрхв.

футшШ pCt) та cít) у температурному д1апазон! вхд 0 до 150°С € лШйними i мають вигляд Сдля дрот1в марок МФ i А);

pCu=0,000164*Cl+0,00383xt), рм=0,000147*Cl+0,00341*t) С19)

с =384*С 1+0,000279*t), с =886*С1+0,000354*1). С20)

Cu AI •

Теоретична та експериментальн! досл1дження дозволили зробити висновок про температурку незалежн1сть другого складника р1вняння теплового балансу дроту. Тому bíh записуеться у вигляд1 K*F*9/CC*n), де К i С - середн! значения коефШента тегогов1ддач1 i питомо! теплоемноста дрот!в. Э точн1стю до 0,5« трет!й складник можна

14

представит:! у вигляд! [1+(а+/3)*13. Шсля обчислення одержали, то для дрот!в марок МФ - Са+/3)=0,0034°СГ1 i А - (а+/3)=0,0028°<Г1.

Тод1 отримали

в' С т) +t K*F/C cxm) 3 *в-[ С1 +( а+0) *t) /С с*т) 3 *I*xRo =0. С21)

Розв'язання цього р1вняння мае вигляд

e=N*[ 1 -ехрС -М*т) 3 /М+0о*ехр( -М*г), С 22)

M=CKxF-Ia*Ro*Ca+/3))/(c*m); N=IaxRoxU+Ca<-/3)*to)/(cxm). (23)

У цьому р!внянн! вс! параметра визначен! з достаток® для практики точн1стг за вияятком коефШента теплов!ддач1.

КоефШент теплов!ддач1 визначаеться за допомогою досл1дного стенда для теплових випробувань дрот!в контактно! мереж!. BiH вирахувано за досл1дними дажши i постановкою значень питомо! теплоосгаст! у р1вняння С22). Одержан! залежност! K=f(M, як1 мають вигляд ступенево! функцП з показниками ступеня 0,45-0,8, для д1апазону швидкостей BiTpy 1-10м/с з похибкою не б!льш 2-ЗХ можна апроксимувати л!н!йнов функцДев виду К=Д+Ех$-. Параметри ц!е! функцП було отримано методом найменших квадрат1в, тод! КСц=26,6+9,2&, КД1=10,7+8,1*.

При досл!дженн1 було проведено розрахунки з визначення neperpiBy досл!джуваних дрот1в для кл!матичних умов, як! в1дпов1давть досл!дним. В1дм1нн1сть експериментальних i теоретичних даних не перевищуе 3-43 С при 0 < в < 1SCPC: при HarpiBi дрот1в б1льшиыи струмами теоретична крива проходить на 2-3 С нижче експериментально!, створвючи певний запас, а при шлих струмах теоретична крива проходить на 1-е?С више експериментально!, що зрештоп не впливае на захист в!д neperpiBy, оск1льки при цьому температура дроту ае не достягае гранично допустимого значения.

3 урахуванням сонячно! paflianiï р1вняння теплового балансу дроту мае вигляд

Э' Ст) +[ K*F/Cc*m) 3 *в-Е С1 +Ca+0)*t)*Ia*Ro-Jo*( 1 -fcxt)*Çxd3 /Сс*т=0, C24)

де J - напрута сумарно! сонячно! рад!ацП, Вт/м2.

3 похибкою, що не перевишуе 1-2Н, можна вважити, що J=Jo*(l-/3c*t),

де Jo=1400 Вт/м8 i |Зо =0,00714 °СГ'.

Год1 розв'язання рхвняння (24) мае вигляд

M' =(KxF-Ia*Ro*(a+0)+Jo*?*d*/3t )*cxm, (23)

N' =[ Ia*ro*(l+( a+/3) xto)+Jo*Ç*dx(l-ft *to) 3 До®). ( 26)

Гаким чином, нагр1в дроту за рахунок впливу сонячно! рад!ац1! в установленому режим! за в!дсутност1 струму становить 7-9°С, причому його величина зменшуегься 3i зниженням тешератури навколишнього

13

середовща ado si збальшенням струму й швидкост! BiTpy.

Проведен! досл!дження дозвояяшъ забезпечити техн1чну peanieauiD теплового захисту як за допомогою ЕОМ, так i за допомогою eacodiB автоматики та електрон1ки.

У п'ятому роздШ проведено анализ методiв передач! д.нформацП з м1жп1дстанц1йно1 зони на тягову п!дсташпю з використанням частотних канал1в зв'язку по високовольтних л1н!ях, контактам Mepeii й ультразвукового каналу зв'язку по заземлен^ частинх автоматики. Пор1вняльний анализ засо<3!в передач! !нформацП показав перспективн1сть ультразвукового каналу зв'язку й рад!оканалу для релейних захист!в, закрема, м!ського наземного электротранспорту. Описано пристро! передач! !нформацГ! з ультразвуковое високовольтною розв'язкою й рад!опередавальний пристр!й. Досто1нством захисту з ультразвуковою високовольтно» розв'язкою е висока точн!сть робота пристрою та 'i'i велика завадост!йк!сть,

0CH0BHI РЕЭУЛЬТАТИ И ВИСНОВКИ

1. Аналхз метод!в i засоб!в температурного контролю й захисту контактного дроту електротранспорту показав, ш,о при наявних тендешЦях зростання електротягових навантажень icHy»4i пристро! захисту не забезпечувть повною м1рою захисту контактного дроту, оск1пьки параметра струму, напруги тощо, як! вшйрюються на тягов!Й п!дсташШ, в нормальному й аварШому режимах cyMipHi один з одним.

2. Розглянут1 методи прямого й непрямого контролю температуря контактного дроту на електротранспорт! й пристро! захисту, що реал!зуються на ix ochobI. Показано перспективн1сть струмочасового захисту контактно'! мереж! з уставками, визначеними в результат! анал!зу тягового навантаження як випадкового процесу, а тахож захисту контактного дроту, базованого на безпосередньому контролх температуря дроту на перегон!.

3. На основ! розроблено! в результат! анал!зу експерименталь-ного матер!алу ftMOBipHicHoi модея! erpyMiB навантаження, яке е випадковою фукюЦею часу, за допомогою статистичних характеристик вмешав тягового струму за найб!льш !мов1рний р1вень струму й часу перевищення цього р1вня, визначено розрахунков! значення ампл1туди й тривалост! максимальних струм1в перевантаження, необх1дн1 для розрахунку струмочасового захисту контактно! мереж!.

4. Розроблено й упроваджено електронний струмочасовий захист з урахуванням статистичних oiuhqk граничних значень струму й часу

16

перевантаження, то дозволило п1двищити над1йн1сть робота системи електропостачання внасл1док значного скорочення к!лькост1 невиправданих спрацювань автоматичного вимикача.

5. Експериментальна перев!рка доол!дного зразка електронного захисту показала необх!дн!сть розробки захисту, но встановлюеться на д1лянц! контактно! мереж!, з метой б!льш повного врахування теплового режиму контактного дроту.

6. Пор!вняльний анал!з принцип!в побудови теплових захист!в показав перспективн!сть дилатометричного методу. Описано математичну модель теплового стану контактного дроту електротранспорту.

7. Розроблено дилатометричний пристр!й захисту контактно! мереж!. Для термореле подготовлено конструкторську й техн!чну документами, необххдну для його виготовлення й натурних випробувань. Термореле реал!зуеться на недорогих техн!чних елементах й може бути виготовлений без застосування ун!кально! технолог!!. Виготовлено досл!дний зразок пристрою й випробовано його в лабораторних умовах, Подано заявку на винах1д.

8. Запропоновано тепловий захист контактно! мереж!, то вмикае датчик температури, який встановлюеться на контактному дрот! в м12пидстанидйн!й зон!, й приймально-передавальний пристр!й, який сигнал1зуб про виникнення перегр1ву.

Основний зм!ст дисертац!! висв!тлено у таких публикациях:

1. Толстиков Н. Г. Реле температурной защиты контактной сети электротранспорта//Межвуз. сб. науч. тр./ХГАЖГ, 1993. - вып. 27: Применение микропроцессоров в системах железнодорожной автоматики.-С. 46-33.

2. Тырса В.Е., Толстиков Н. Г. Механический расчет дилатометрического устройства защиты контактной сети//Вестник ХГАДТУ, 1993, N1.-0. 64-68.

3. Толстиков Н. Г. Электронная защита контактного провода злектротранспорта//Межвуз. сб. науч. тр./ХГАЖГ, 1993.- вып. 27: Применение микропроцессоров в системах железнодорожной автоматики. -С. 70-73.

4. Толстиков Н.Г. Математическая модель теплового состояния контактного провода электротранспорта//Вестник ХГАДТУ, 1996, N4.-0. 59-62.

3. Толстиков Н.Г. Устройства контроля температуры контактного провода электротранспорта//Информационно - управляющие системы на железнодорожном транспорте/ХГАЖГ. - N6, 1996.-С. 40-43.

17

8. Толстяков Н. Г. Интегральная защита контактной сети электротранспорта//Информаиионно-управяяювше системы на железнодорожном транспорте/ХГАЖГ. -N1, 1997.-С. 36-39.

7. Толстиков И. Г., Борисенок В.А., Новицкий Е.3., Толстиков Н.Г., Тырса В.Е.. Бифуркационные пьезодатчики//Международная научно-практическая конференция "Пьезотехника-94". Тезисы докл. - Томск (Россия), 1994.-С. 184-188.

8. Толстиков Н. Г. Реле контроля температуры в системе защиты контактного провода электротранспортах/Международная научно-техническая конференция "Контроль и управление в технических системах". Тезисы докл.-Винница СУкраина), 1993, ч.2.-С. 497.

9. Толстиков Н.Г. Методы и средства прямого измерения (контроля) температуры контактного провода на электротранспорте; Харьк. гос. авт.-дор. техн. ун-т. - Харьков, 1993. -10с. - Библиогр.: 7 назв.-Рус.-Деп. в ГНТБ Украины 03.04.95, Н795-УкШ.

10. Толстиков Н.Г. Реле температурной защиты контактной сети городского наземного электротранспорта; Харьк. гос. авт.-дор. техн. ун-т.- Харьков, 1993.-6с.: ил. - Библиогр.: 3 назв. -Рус.-Деп. в ГНТБ Украины 05.04.93, И793-Ук95.

11. Тырса В.Е., Толстиков Н. Г. Об энергетическом подходе к вопросу защиты контактной сети трамвая и троллейбуса от перегрузок и токов короткого замыкания; Харьк. гос. авт.-дор. техн. ун-т,-Харьков, 1993.-9с.: ил. - Библиогр.: 5 назв.-Рус.-Деп. в ГНТБ Украины 03.04.95, Я794-Ук95.

12. Толстиков Н.Г. Влияние нагрева на состояние контактного провода электротранпорта; Харьк. гос. авт. -дор. техн. ун-т.-Харьков, 1993. -13с. -Библиогр.: 13 назв. -Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 23.10.95, И2322-Ук95.

13. Толстиков Н. Г. Моделирование как один из эффективных методов анализа работы релейной защиты системы электроснабжения; Харьк. гос. авт.-дор. техн. ун-т.-Харьков, 1995.-11с. -Библиогр.: 13 назв.-Рус.-Деп. в ГНТБ Украины 25.10.95, 12323-Ук93.

14. Заявка на изобретение (Украина). Н02Н03/08. Дилатометрическое термореле//Н. Г.Толстиков, Е.В. Трунов, В. Е.Тырса, 1996.

Особистий внесок автора в роботах у етйвавторстве складаб у розробц! методики механ1чного розрахунку дилатоыетрачного захисту контактно! мереж1 12,7], а також функц!онально! схеми електронного захисту контактного дроту електротранспорту Ш]; техническом обгрунтуванн! винаходу [143.

SUMMARY

Tolstikov N.G. Automatic devices of contact network of slectrotransport temperature control and defence.

Thesis for Master's degree in technical science on a speciality OS. 11.13 - devices and methods of testing and protection of the environment, substances, materials and products. Kharkiv State Politechnical University, Kharkiv, 1997.

The thesis has developed automatic devices of contact network of electrotransport defence produced of overheating by short circuits and overloading. Electronic current-time and dilatometrical defences are based on direct and indirect methods of contact wire temperature control. Calculation of electronic and dilatometrical defences is done on the basis of mathematical models of load currents and contact wire thermal state described accordingly. Results of practical use of contact wire electrotransport defence automatic devices are given.

АННОТАЦИЯ

Толстяков Н.Г. Автоматические средства температурного контроля и защиты контактного провода электротранспорта.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 03.11.13 - приборы и методы контроля и защиты окружающей среды, веществ, материалов и изделий. Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1997.

В диссертации разработаны автоматические устройства защиты контактной сети электротранспорта от отжига, вызываемого короткими замыканиями и перегрузками - электронная токовременная защита и дилатометрическое термореле, основанные на методах прямого и косвенного контроля температуры контактного провода. Расчет электронной и дилатометрической защит основан на разработанных математических моделях соответственно токов нагрузки и теплового состояния контактного провода. Приведены результаты практического использования разработанных автоматических средств защиты контактного провода электротранспорта.

Ключовх слова: автоматичн1 засоби, температурний контроль та захист, контактний др1т, електротранспорт, струм навантаження, в1дпал, коротка замикання, перевантаження.

/олсгм-^ирС-