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

ХАРК1ВСЫШ ДЕРЖАВНШ П0Л1ТЕХН1ЧНИИ УШВЕРСИГГЕТ

На правах рукопису

Толст1ков Микола Григорович

АВТ0МАТИЧН1 ЗАСОБИ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОНТРОЛЮ ТА ЗАХИСТУ КОНТАКТНОГО ДРОТУ ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТУ

0S.11.13 - прилади i методи контролю та захксту навколишнього середовища, речовин,, магер1ал1в та виросЯв

Автореферат дисертацП на здо<5уття наукового ступеня кандидата техн1чних наук

То/¡с.

/ы, с.

XapKiB - 1997

Дисертац1я е рукопис.

Робота виконана у Харк1всъкому державному автомсб1льно-дорожноиу техн1чному ун!верситет1.

Науковий кер1вник - заслужений д1яч науки 1 техн1ки Укра1ни, доктор техн1чних наук, професор, Тирса Валентин €встаф1йович.

0ф1дШн1 опоненти - доктор техн1чних наук, професор, Кузнецов Борис 1ванович;

кандидат техн!чних наук, доцент Маценко Тетяна ГеоргНвна.

Пров1дна орган1заидя - Харк1вська державна академ1я

зал!зничного транспорту.

Захист в1дбудеться 1997р. о ^ годин1

на зас1данн1 спец!ал1зовано1 вчено! ради Л 02.09.11 у Харк1вському державному пол1техн!чному ун!верситет1 за адресов: 310002, Харк1в-2, МОП, вул. Фрунзе, 21.

3 Еисертац1оо можна ознайомитися у б!бл1отец1 Харк1вського державного пол1техн!чного ун1верситету.

Автореферат роз 1 с ланий

¿ёр,фЯ 1997 р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть досл!дженяя. За сучасних умов прискорення науково-техн1чного прогресу п1двищуеться роль електричного транспорту. Над1йн1сть та ефвктивк1сть його робота зяачною Mipou визначаетъся системою електропостачання, одним з основних елемент1в яко! € контактна мереха, що не мае резервних елемент1в i п!длягае несприятлквим впливам численних фактор1в. Тому над!йний захвст контактно! мврех! в1д коротких зашкаяь та перевантахень, як1 викяикавть .пошкодхяння елехтрообладнання, та в!дпал контактного дроту, то дорого кошту€, € необх1днов умовою зб1лыаення пропускно! та пров1зно! здатност! живлячих л1н1й електротранспорту.

1снуюч1 техничн1 засоби контролю i захисп-у контактно! мереж1, базоваяi на методах прямого й непрямого контроле тешератури контактного дроту, не забезпечують повнов м!рою над!йного захисту контактно!. uepexi. бонд реал1зуоть максимальн1 струмовий та Лмпульснхй захисти, потвни!йний, дисташийний 1 високочастотний захисти, пристро!, що рвагують на характер перем!ни струму короткого замикання, струмочасов! захнети тощо. При цьоыу не забезпечуеться спрахшвання захисту при малих струмах короткого замикакня в контактн!й мереж!, а також трашиготься невиправдан! вимикання мерех1 при безпечних для не! коротссочасних nixax струму.

В!дм!енов особлив!стю системи захисту контактно1 мерех1 пост1йного струму е в!дсутн!сть резервного захисту у зв'язку з обмеженою мохлив!ст» контролю електричних параметр!в електротягово! мерех1 за умов тягово! п1дстанц11, а це не в!дпов1дае вимогам правил експлуатадИ електроустановок.

Особливо! вахливост! це завдання набувае тепер, коли 4inco визначилась тенденц!я до зростання максимальних тягових навантахень у зв'язку з 1нтенси$1кад1аа руху та прогресуючим запровадхенням паралельно'1 роботи в тягов1й мерех1.

Для створення ефективного захисту контактно! мерех1 електротранспорту необх!дно скористатися ймов!рн!сно-статистичними методами, що враховують внпадковий характер тягового навантахення, ado розширитн обсяг ознак режиму роботи, № кантролвсться, закрема, контролввати температуру контактного дроту.

Дисертац1йна робота виконувалась зг1дно з планом техн1чного розвитку Харк1вського державного п1дприбмства СХДГО "М1ськелектротранс", розробленим на вихонання Постанови Каб!нету MiHicTpiB Укра!ни N91 в1д 14.13.94р. "Про реал!зац!п Нац1онально!

3

програыи пол1пшення стану безпеки, г!г!ени прац! та виробничого середовида на 1994-ЕОООрр." i Постанови Верховно! Ради Укра1ви N7S/94-BC в!д 1.07.94р. "Про енвргозбереження".

Мета та основн! завдання. Метою дисертац!йно! робота € досл!дження характеру переы1ни струм!в у контакта!!! мереж! електротранспорту та створення автоматичных пристро!в 11 захисту. Для досягнення ulcl мети необх!дно вир!шити так! завдання:

1. Проанал!зувати метода а засоби захисту мереж пост!йного струму в!д струм!в короткого замшсанвя.

2. Розробити иатеиатичну модель яа баз! експериментального досл!дження струм!в навантаження тягово! п!дстанц11.

3. Розробити автоиатичн1 засоби захисту контактно! мерех! електротранспорту в1д в!дпалу, яквй викликають тривал! перевантажэння та коротк! замикання.

Пров1дн! положения теорИ, принципов розрахунку 1 проектування пристроив захисту контактно! мереж! в!д коротких заыикань та перевантажень втсладено у працях учених К. Г. Марквардта, Г. Г. Марквардта, С.М. Серд!нова, С. Д. Соколова, М. Д. Сухопрудсысого, В. Я. Овласвка, Е.Л. Ф!гурнова, Б. I.Косарева, В.М.Пупин!на та 1н.

Розвитков! ! розв'язанню прикладних питань релейного захисту електротранспорту в галуз! теорГ! ймов!рностей та математично! статистики, теорИ внпадкових функц!а присвячен! прац! Г. Г. Марквардта, Г.М. Каялова, В. 1.Гордеева, Ю.М.Н!к!т!на та !н.

У галуэ! Teopi'i нагр1ву дрот!в контактно! мереж! дисертац!я базувалась на результатах досл!джень учених О.В.Ворон!на, А.А.Порцелана, н!мецысих учених Г.Готтера, А.Шака та !н.

У сфер! розробки техн!чних засоб!в для реал!зад!1 теплового. захисту в дисертацН використовувались результата роб!т учених А.С.Бочева, Е.П.Ф!гурнова, учених Шмеччини, ЯпонП, 4exi'i та !н.

Методи досл1дхення. Поставлен! в робот! завдання вир!шувалися з використанням теоретичного аная!зу на основ! Teopi'i йыов!рностей та математично! статистики, Teopi'i внпадкових функц!й, Teopi'i релейного захисту, теорИ електричних 1 магн!тних ланцюг!в, а також на баз! електрон!ки, термодинам!ки та рад!отехв!ки. У процес! експериментальних досл!джень використовувались методи безпосереднього м!ряння струм!в, напрут ! температури за допомогою вим!рпвально1 TexHiKH.

Наукова новизна дисертац!йно'! робота полягае у розробц! математично! модел! струм!в навантаження контактно! Mepexi

4

олехтрстранппорту, на основ! яко'1 вкзначзно сц!нки ампл1тудй й триваяост! струм!в перевантааэаня.

Осяояа! доло^ная. я,о зяносяться на зааист:

1. Матегатичка гадель струм!в яавантаяэння контактно! кереа!.

2. йяехтрогашй закист ксктактпо! мэрия! елехтротранспорту.

3. Дия&томэтрнчгтй приетр!й зехисту контактного дроту в!д з!дкалу, якай викяшсавть коротгс! заикания i пэрэвантаздания. '

Доогов!рн!сть &9зультат1в зйЗезпзчуегься ксректно» постановкою эаэданнгг розробхн эзсскЯв захасту контактного дроту в1д з!дпалу, номпшеюгм характером дослШйяь, пор!вкянням теорв-шших рсзрахунк!в та ексазрийэнтальних результатов, практ:;йзш а!дтвердвэнняы науковик пологэнь та висновк!в.

Практична ц!нн!оть робота полягае б роэродоц! матвиатнчио! (¿одел! струм!з кавантазення п1дстанцН й автоыатичншс засой!в захнсту контактно'! u&pozí в!д в!дпалу, sao викликаеться короткими зшазашят й перэзаь-тагэннями - электронного струкочасового захксту з уражуваннян статастичнпх сцДеок граничних значонь струму i часу поровантажоння та дилатокетрячного захисту контактного дроту, т кклт.ч&б датчик температуря, якмй встановлветься на контактному дрот! з м!жя!дстаиц!йп!й зон!, а такая нрг-ййсально-пзрздавальний пристр!й, итяй скгная1эув про савякаеяая nspsrpisy.

pgaaisaalg аезупьтат1в ccdora. Елоктроняиа захист контактно! ivsessi с-ле;.г.-ротракспсрту впровадаемю ка ХЛП "Шсысе лектротракс''. Для гцшкгокэтричного тврисреле розробяака конструкторська й тихн!чна яскуужаийя, необидна для його виготозлення й натурних вияройувавь. Тврдар-эло р&ал!ауетьея на недорогих техн1чиих еяеиэвгаз, як! сзрШю вяяускавться п!дяришстваый Укра'!пи, без заяровадашя уя1каяжй гагаологП. Пхсяя вкготовяення тершрол® будз вакоркстсзуватася в ХИЛ 'Шськежзктротрано",

аздвр#зд!я робот;;. Оснозн! полоезння та результата; досл1д»эння доповШяасъ та скЗт'овсрвваязсь на и!жнародн!й науково~црактичн1й конференций "ГГ езотэхи!ка-94" СРос!йська агсадем1я наук та Тсмеышй Ш, 1534р.), ка Missapofliiiñ иауково -технiчкой конференц!'! "Контроль га управи!ния з техн!чних систеыах" СВ!ншщький ДТУ та IK !й. В.М. Гауакоза НАН Укра!ки, 1933р. 3, на и>ор!чнкх науково-техн!чнях ковф@рвни1ях вшсяадач!в ХДАШ (1893-1935 рр.), на зас!даннях sayicoBO-T0AHi4HO'i ради ЗИП "М!ськ®лехтротранс" C1993-1S96 рр.).

ГЙбд!мц.!1- За теное zwcepTaai'i спу<Зл!ховако 6 статей, тззй топ допоз!дей, деяоаоэано 8 рукоакс!в, подано заявку на винах!д.

5

Структура та обсяг роботи. Дисертац!я складаеться !з вступу п'яти роздШв, висновк!в, чотирьох додатк!в 1 М1СТИТЬ 138 СТ0р1Н01 друковакого тексту, 30 малвнк!в, 25 таблиць, списку використаню джерел 1э 228 найменувань.

ЗМ1СТ РОБОТИ

У вотуп! обгрунтовано актуального теми, визначено мета ] завдання досл!дження, наукова новизна, теоретична 1 практичн« значения робота, сформульовано положения, як! виносяться на захист.

У першому розд!л! подаеться анал!з метод!в й засоб!в захистз мереж! пост!йного струму в!д струм!в короткого эамикання. Розглянутс методи прямого й непрямого контролю температури контактного дроту i пристро! захисту, но реал1зувться на 1х основ1. Показанс перспективн1сть захисту контактно! мереж1, но враховують випадковвй характер тягового наваятахення, а також захисту контактно! мереж!, ао базуеться на метод! прямого контролю температури контактного дроту, для створення ефективного захисту контактного дроту в!л в!дпалу, яквй викликашъ перевантахення 1 коротк! заыикання.

У другому розд!л! проведено досл!дження струм!в навантаження тягово! п1дстанц!1 й розроблено математичну модель на баз! отриманиз експериментальних даних.

Основне положения: нормальная закон розпоя!лу генерально! сукупност! струм!в навантаження II ^, де ! - номер доббво! реал!заи!'! С1=16), а j - номер переткну С1=48) ансамблю реал!зац!й.

Перев!рка тягового навантаження, яке € випадковою функц!ег часу, на стац1онарн!сть £ ергодичн!сть проводилась за виборкою кроком 30 хвилин 768 значень струму навантаження, яке м!стать 16 добових реал1зац1й по 48 зам!р!в у кожн1й. Алгоритм розрахунку такий: розрахунок оц!нок середнього значения I дисперс!'! за добовими реал!зац!ями, за перетинами ансамблю 1 за вс!м обсягом !нформац!1; оц!нки дисперс!! середн!х у реал!зац1ях ! перетинах; перев!рка г!потези нормальност! !х розпод!лу. Для добових реал!заи!й г!потеза протир!чить експериментальним даним, тому для подальшо! перев!рки взято непараметричн! критер!!.

Перев!рка стац!онарност! проводилась пор!внянням мЦнок математичного спод!вання & 1 дисперс!! Й* у перетинах з !х ансамблевими значениями за такими параметрами: розмах в!дхилення, критер!й тренда 1 критерЮ сер!!, середньоквадратичне в!дхилення оц!нок, в1днесеие до !х ансамблевого значения. За результатами розрахунку зроблено висновок, що струм навантаження тягово!

6

п1дстанцП мае стац1онарнии за математичним спод1ванням i дисп9рс1ев. Пврев1рка г1потези норкальност1 розпод1лу середн1х за перетинами й реал1зац1ями дала позитввн! результата. Лобовi дисперсП кохуть бути описан i нормальним розпод!лом т!льки у першому наблихенн1, г!потеза нормальност! дисперс1й за перетянами ансамблю протир1чить дании експерименту.

Перев1рка ергодичност1 тягового навантаження за математичним спод1ванням i дисперс1ею проведена за допомогоп однофакторно! модел1 дисперс1Иного анал1зу з вшсористанням Р-розпод1лу. Другим видом анал1зу € визначання в!дсотка попадания оцДнок за реал1зац1яыи в дов1рчий 1нтервал ансамблево! oiùhkh при 3-х р!внях значимости Розгляд показав, ню випадковий npou.ec зм1ни струк1в навантаження € ергодичним за математичним спод!ванням i дисперс1ею.

Досл1дхення закон1в розпод!лу тягового навантаження дозволив виявити валив деяких фактор1в на форму криво! розпод!лу, а також накреслити меж1 практичного вюсористання того чи 1ншого розпод!лу. Для апроксимацП експерименталъних даних використано емп1ричя1 розпод!ли Джонсона, як! трьома вих1дннш функц!ями охоплюють yen плотину до ютив их розподШв. Алгоритм перебачае розрахунок oiUhok асиметрН та ексцесу, за якими робиться ви<51р одн1е'1 з трьох функц1й розпод1лу, розрахунок параметр!в в1дпов!дного розпод!лу та оц1нку в!дпов1дност1 апроксиыуючого виразу до вих1дних даних за критер1ем ** i критер!ем Романовського.

Анал1з результате розрахунку показав, що випадковий процес зм!ни струму навантаження описуегься нормальним розпод!лом.

Математичну модель струм1в навантаження описано нижче.

Припустимо, що через piBHi прок1жки часу з 1ыов1рн1стю Р з'являються однотипн1 електропо1зди, як! перем1щуються дискретно по

вузлах д1яянки через час А, 2Д..... N4. Конф1гурац1ю по!зд!в на

д1лянц1 в момент t позначимо X(U=CXoCUr .. . XnCU). Позначимо через Ifc струм, який виникае в К-т1й точц1. Якщо там знаходиться електропо'1зд, тод1

N N

1фси= J Ik XkCt] або 1фСпД)= Y Ik Xk+П, Cl)

ksf kso

£ " Io+, .. +Ih+i М1фси= 2 Ik MXkCt)=P 2 Ik= —jffj-PCN+D, С2)

и и 1а + .. +1* DI$Ct3 = J I* DXk(U=P*Cl-P)fc| I* = -Sjfpj-iÜ-1 PCN+13C1-P3. (3)

Якщо U > N. то coyCI ф( t3, 1фСt+uÄD3 =0, яквю U < N ado U=N, то

h n n

covCI$UD,I$(t+utoD=coY( l Ik Xk, l Ik Xk+u3= ]> Ik Ik-u DXk=

k=o k=o k=o

" IoIu+. . . +lN-ulM

=PC1-P3 2 Ik Ik-u= -ш-P(N+13C1-P3. С43

Тут величина PCN+13=X - середне число електропо!зд!в. Якщо к!льк1сть вузл1в N чикала, 1нтенсивн1сть X. фасована, то P=X/(N+13 мала, Тод!, зг!дно з центральною граничное теоремою та результатами анал!зу досл!дхуваного иатер1алу, можна ввахати, до величина 1фС13 мае нормальний розпод!л. Параметри нормально! апроксиыацИ можна визначити при переход! до границ! при N-*- оо. Для формал!зацГ! цього граничного переходу введено параметризац!ю по довжин1 д!лянки.

Позначимо через 1 точку, в як!й знаходиться електропоХзд через час C1/L3*N*A п!сля його появи на д1лянц1. Час проходження д!лянки

T=N*A, а зам!сть дискретного набору струм1в Io..... In введеио

функц!ю IC13, 0 < 1 < L, так ао Ik = ICK*L/N3. Тод! ыожна апроксимувати випадковий процес I$Ct3 1деая1зованим гауссовським процесом T$Ct3 з середн1и XI, дисперс1ес XI3 1 ковар!ац!йною фунюЦею KCt) (вона дор!внюе 0 при t > ТЗ.

Тод1 математичне спод!вання 1 дисперс!я випадково! величина ZCto3 - частки часу на !нтервал! [0,to], яку процес^фСи проводить вице доякого р!вня А, мае вигляд

MZCto3=l-W . ), Гдв фсхЗ= JL Г ехрС-у^/сЯйу С53

-IFXDT 01

ku )

to Klo > -

D2Cto3= jCl-t/to)dt J exp [- ^Ti7))ci-va3-0'Bdv (6)

о о

У тсетьому роздШ розроблено електронний захист контактного -дроту- э -урахуванням -гранкчккх - заачень -струку-i -часу- навантажвкня,-Описано аналоговий та цифровий вар!анти струмочасового захисту.

8

Принцип д11 електронного захисту базуеться на контрол1 к1яькост1 вид!леного в контактному дрот1 тепла 0 при проходивши по ньому струму I, тобто захист мае вимикати електропостачання контактно! мереж! за умови

I > Iу 1 I > Т або 1к»п1п < I < 1у

1 Т < I < 1у*ТЛ, С Б > Бу або 0 > Оу ), С7)

причому 1у=1от й Г=Тот, де 1от ! Тот - оц1жси ампл1туди й тривалост! зтрум!в перевантаження, Б - ампер-секундна площа, тобто площа, яка знаходиться п!д кривое 1Ш (мал. 15, 1кзтш - мШмальне значения зтруму короткого замикання, 1у - струм уставки захисту, Т -иаксимальний час дИ перевантажень, ! не вимикати вимикач при теревантаженнях, як! д1ють протягом часу I < Т.

Розрахунков1 значения ампл1туди й тривалост! максимальних зтрушв перевантаження визначавться на основ! ймов1рн1сно1 модел1 2трум!в навантаження, яке б випадковою функц!аэ часу, за допомогою :татистичних характеристик викид!в тягового струму за найб!льш 1мов1рний р1вень струму ! часу перевищення цього р!вня Смал. 2).

Функц1ональну схему цифрового вар!анта захисту подано ка ¿ал. 3. Принцип дП захисту базуеться на перетворенн! струму ивантаження, за допомогою перетворювача напруги на частоту ПНЧ, на фопорцШу йому частоту проходження !мпульс!в Г, як1 подаються на 1нтегрувчий цифровий л!чильник СЧ при I > ГкзпЦп ! пор!внянн1 числа 1мпульс!в И, що к!льк1сно дор1внюе Б, з задании N0, що к1льк!сно юр1внпе 5о=1ст*Тст, причому якщо N > N0, то на виход1 л!чильника )'являеться сигнал. Опорна напруга иоп компаратора К пропорц!йна [кзш!п, а вх1дна напруга и - струму I. Фотограф!я експериментального ¡разка електронного захисту контактно! мереж! приведена на мал. 4.

У четвертому розд!л! даеться теоретичне й експериментальне )бгрунтування розробленого дилатометричного термореле, що базуеться га метод! прямого контролю температуря контактного дроту.

Термореле е дилатометричний пристр1й з електроконтактною :истемою, принцип дИ якого базуеться на лШйному тепловому юзширенн! чутливих елемент1в, що викликають замикання контакт!^ :еруючого електричного ланцюга при перевшценн! температуря ¡працювання та вимкнення електропостачання мереж!.

Структурну схему термореле показано на мал. 5, де 1 - тепловий [еретворювач, 2 - передавальний пристр!й, 3 - електроконтактна ¡истема, Э - температурний д!апазон, °С; Д1, И - в1дпов!дно теплове :одовження й лШйне перем!щення чутливого елемента, мм; и -

9

I, А

Т & I, с

Мал. 1. Граф1чне пояснения принципа ди електронного захисту.

I, А

I, с

ь

5

О

Мал. 2. Гиетограма струм'ш навантаження. 10

Мал. 3. Функциональна схема електронного захисту.

Мал. 4. Електронний захист контактно! мереш. 11

0

Д1 Ь

1 2 3

и

Мал. 5. Структурна схема термореле.

ли ЛЬ

к 14

Мал. 6. Мехашчна схема теплового захисту.

14 1 1 3 Ч 5

12 II 10 . Мал. 7. Конструктивна схема термореле.

вих!дний сигнал захисту, В.

На основ1 механ!чяого розрахунку розроблено механ1чну схему термореле з чутливим елеыентом з 4-х стрижн!в довжиною 11=1» 1 1а =14, як! мають одну м1ру свсх5оди С мал. 6), та визначено також конструктивн1 розм1ри елемент18 захисту. •

Величина ходу Ь захисту е футпЦеп чотирьох перем!нних 1», 1а, а, 9 Са-а1 -аа, де а!, аз - в1дпов1дно температуря! коефШенти л!н1йного розширення матер1ал!в чутливого елемента й ф!ксатора)

^СЬ ,1а,а,0)=4С1а+Д1а)а-С1г-Д11)а . (8)

Оск!лыш подовження стрижн!в через нагр!вання дор!внюють Д1»=а»Ьз<9 1 Д1а=а*1а*в, то

Гг=<1 2а*©*1а1 +2а*е*1 а »11 +ааква*Ьг-аа*98к11а . С 9)

Досл!дження функцИ И^СЬ Да.а.в) з метою визначання 11 максимуму дозволило зд!йсннти виб!р в!дпов!дних матер!ал1в та розм!р!в чутливого елемента й ф!ксатор1в конструкцП для заданого вим!ру температурного д1апазону за умов забезпечення високо'! чутливост!, термост!йкасг1, малих величин теплово'! !нерц!1 ! вартост! захисту.

Тод! вираз для ходу захисту з м!дним чутливим елеыэнтом С1»=38мм, 1а=152мм) ! порцеяяновим ф!ксатором мае вигляд

Ь=^2а«©*1а(1а = 40,8099 . СЮ)

Термореле сконструйовано з урахуванням параметр!в контактно! мереж1. Шдвицення чутливост! термореле до температуря контактного дроту та розширення функц!йних можливостей за рахунок регулсвання температурного порогу спрацювання реле досягаегься ориг!нальною конструкц!ею термореле.

Конструктивну схему термореле приведено на мал. 7. Термореле виконано у вигляд! двох чутливих елемент!а И-образно'! форми 1, виготовлених з контактного дроту й затиснених з обох к1нц!в у рамц!. Рамка складаеться з двох стальних кутик!в основа 6, жорстко з'еднаних м!ж собою двома порделяновими ф!ксаторами 12, як! виконуе електротеплову !золяц!ю кутик!в основи. Електричний зв'язок чутливих елемэнт!в 1 м!ж собою та контактною мережею 9 зд!йснюбтсья за допомого» гнучкого електричного дроту 3 такого х перетину, як 1 в контактного дроту, та затискач1в ЭГО 2, так ао чутяив! елементи й контактна мережа виявляютъся посл!довно з'едиан!. Механ!чний зв'язок чутливих елемент!в 1 м!ж собою й рамкою зд1йснюегься привареними на 1х вигинах призматичними опорами 4, ко спираються, з одного боку, на

13

н1х висувввй 5 опори 7, що регулюеться, а з другого - на н1х невисувний 14 опори 13, причому корпуси опор жорстко З'€днан1 з основой 6, а такох за допомогою стикових затискач!в 8 з контактное мереже» 9. Таким чином, створюеться електроыехан!чна система, по забезпечуе адекватн1сть електричного, теплового 1 механ!чного режи\'1в робота чутливих елемэнт!в теплового захисту й контактного дроту електрично! мереж1.

Але для створення ефективного захисту контактно! мереж! в!д в1дпалу необх!дно розробити математичну модель теплового стану контактного дроту, за допомогою яко! можна проанал1зувати роботу релейного захисту в аварШшх режимах.

В1доме р!вняння теплового балансу контактного дроту мае вигляд: dQ/dT+K*F*e^Cc*m) -Ia*R*/tcxm) =0, СИЗ

де m - маса дроту, кг; с - теплоемн1сть ыатер1алу контактного дроту, Дж/Скг*°С); R - onip дроту. Ом; т - час дП струму I, с; К -коефШент теплов!ддач!, Вт/Сц3*^); Р - плода поверхн! дроту, м*.

Пор1вняння розрахунк1в за цим р!ввянням з ексцеримвнталыгами даниш псказуе 1х 1стотну розб1жн1сть, оск!лыси R, с, К € перем!нн1 параметри.

Враховуючи, до R=po*Cl+a*t)*l/S С12), c=Co*Cl+j3xU С13),

K=Ko*ci+r*t) С14Э, t=e+u cis), n=p*i*s cie), F=i*b cm

Cp-miльн1сть матер1алу контактного дроту, кг/i? ; S - перетин дроту, ¡г; а, (3, у - в1дпов1дно температуря! коефШенти R, с, К и t, to -температура поверхн! пров!дника й навколишнього середовща, °С), отрицали

d©/dr+Ko*[ 1+Y*С вПо)*Ь*еЛ со*С 1 +0*С 8+to) )*p*S-

-12 *ро*[ 1 +a*( e+to) ] Л Со хС 1+(3*с e+to 3) *p*S2 ] =0 - С18)

3 метою опрощения ыатематично! модел! теплового стану контактного дроту необх1дно провести досл!дження 11 параметр!в.

ФункцП pCt) та cCt) у температурному д1апазон1 в1д 0 до 150°С € л1н1йниыи 1 мають вигляд Сдля дрот1в марок ЫФ i А):

РСи=0,000164*С1+0,00383*t), рД1=0,Q00147*Cl+0,00341*t) С19) cCu=384*Cl+0.000279*t), сд1=886*С1+0,000354*t). С 20)

Теоретичн1 та експериментальн1 дося!дження дозволили еробити висновокпро - тбмпературну - кззалежн! сть - другого _ складника, р!вняння теплового балансу дроту. Тому BiH записуеться у вигляд! K*F*9/CC*ai), де К i С - середн! значения коеф!ц1ента теплов!ддач! i питомо! теплоемност! дротАв. Э точн!стю до 0,5% трет!й складник можна

14

представити у вигляд! í l+Ca+/3D*t]. П!сля обчислення одержали, до для дрот!в марок МФ - (а+/3) =0,0034°С"1 i А - (а+/3)=0,0028°СГ1.

Тод! отримали

9' С т) +£ K*F/C ст) 3x9-1 С1 -К а+/Э) *ОЛ с*га5 ] *Ia *Ro =0. (21)

Розв'язання цього р!вняння мае вигляд

0=N*tl-expC-№tr3]/M+eo*expC-M*r), С22)

M=(K*F-Ia*Ro*(a+/?)3/Com); N=Ia*Ro*Cl+Ca+(3)*to)/(c*m). (23)

У цьому р!внянн! bcí параметри визначен! з достатньою для практики точн1стю за винятком коеф!ц!ента теплов!ддач!.

КоефШент теплов!ддач1 визначаеться за допомогос досл1дного стенда для теплових випробувань дрот!в контактно! мереж1. В1н вирахувано за досл1дними данный i постановкой значень питомо! теплоемност! у р1вняння (22). Одержан! залежаост! K=f(£), як! мають вигляд ступенево! функц!! з показниками ступеня 0,45-0,8, для д!апазону швидкостей в!тру 1-1 Ом/с з похибкою не б!льш 2-3% можна апроксимувати п!н!йною функц!«! виду К=Д+Е*&. Параметри ц!е! функц!! було отримано методом найменших квадрат!в, тод! КСц=28,6+9,2&, КД1 =10,7+8,1^.

При досл!дженн1 було проведено розрахунки з визначення перегр!ву досл!джуваних дрот1в для кл!иатичних умов, hkí в!дпов!дають досл!дним. В!дм!нн!сть експеримеятальних ! теоретичних даних не пвревиауе 3-43 С при 0 < 8 < 15СРС: при нагр!в! дрот!в б!льшими струмами теоретична крива проходить на 2-3 С нихче експериментально'!, створювчи певний запас, а при малих струмах теоретична крива проходить на 1-?С виде експериментально'!, до зрештою не вшгавае на захист Bia перегр!ву, оск!льки при цьому температура дроту де ке достягае гранично допустимого значения.

3 урахуванням сонячно'! рад!ац!1 р!вняння теплового балансу дроту мае вигляд

9' Ст) +[K*F/Cc*m) ]*9-[ С l+(<x+0)*t)*Ia*Ro-Jo*C l-/3o*t)*?*d]/(c*m=0, (24)

де J - напруга сумарно! сонячно! рад!ацП, Вт/м*.

3 похибков, до не перевиауе 1-2%, можна вважити, до J=Jo*(l-/?o*t),

де Jo =1400 Вт/М" 1 /5о=0,00714 "С1.

Тод! розв'язання р!вняяня (24) мае вигляд

М' =(K*F-Ia*Ro*Ca+/3)+Joa?xd*/3i )*c*m, (23)

N'=[Ia*ro*(l+(a+/3)Kto)+Jo*f*d*(l-j9i*to))/(c*m). (26)

Таким чином, нагр!в дроту за рахувак впливу сонячно! рад!ац!! в установленому режим! за в!дсутност! струму становить 7-9°С, причому (toro величина,зменшуеться з! зниженням температуря навколишнього

1S

середовища або з! зб!лыиенням струму а ивадкост1 в1тру.

Проведен! досл!дхання дозволяють забезпечкта техя1чяу реал1зац!в теплового захисту як за дспомого» ЕОМ, так ! за даношгою засоб!в автоматики та еяектрон1кн.

У п'ятому розд!л! проведено анал!з м©тод!в передач! !вфоркаад1 з м1хп1дстанц!йно! зони на тягову п!дст<шЦв з використакшда частотних канал!в зв'язку по ьисоковсльтнкх л!н!ях, контакта!*! мерах! й ультразвукового каналу зв'язку по зазешшкШ часггин! автоматики. Пор!внялький анал!з засоб1в передач! АнфоршцН показав перспективн!сть ультразвукового каналу зв'язку й р^окавалу дяя реле&шх захист!в, захрема, м!ського наземного електротранспорту. Описака пристро! передач! 1нформацП з ультразвуковою високовольтноа розв'язкою й рад!опередавальний пркатр!й. Досто!кством захисту з ультразвуковою високовольтною розв'язкою е висока точк!сть роботи пристрою та И велика завадостНЬсхсть.

0СН0ВН1 РЕЗУЛЬТАТА И ВИСНОВКИ

1. Акалаз методов ! засоб1в температурного контролю й захисту контактного дроту електротранспорту показав, ко при иаявиих тендешЦях зростання електротягових назавтааааь 1сиуюч! пристро! захисту не забезпечують повио» м!ро» захисту контактного дроту, оск!льки параметра струму, напруги тоад, як! втайрвються на тягов!8 п1дстаицП, в нормальному й авар!йному режимах сук!рн! один з одним.

2. Розглянут! метода прямого й непрямого контролю температура контактного дроту на еяектротранспорт! й пристро"! захисту, цо реал!зуються на !х основ!. Показано перспективность струмочасогого захисту контактно! мере»! з уставхашг, внзначеними в результат!. анал!эу тягового навантаження як випадкового ироцесу, а такса захисту контактного дроту, базованого на безпосередиьону коятроя! температуря дроту на перегон!.

3. На основ! розроблено! в результат! анаядзу ехспериаеятааь-ного матер!алу ймов!рн!сно! модел! струы!в навантавдтя, яке € випадковою функц!е» часу, за допомогою статистичних характеристик викид!в тягового струму за найб!льш !ков!рний р1вень струм.? й часу перевидення иього р!вня, визкачено розрахунков! значения амшйтуди й

тривалост! максимальних-струм!в—перевантажзння,—необх!дн1—для-розрахуюсу струмочасового захисту контактно! мерах!.

4. Розроблено й упровадхено електрояиий струмочасовий захват з урахуванням статистичних сц!нок граничите зяачень струму й часу

16

юревантаження, то дозволило п!двищити над1йн1сть робота система »лектропостачання внасл!док значного скорочення к!лькост! швиправданих спрацввань автоматичного вимикача.

3, Експериментальна перев!рка досл1дного зразка електронного >ахисту показала необх!дн!сть розробки захисту, що встановяюеться на Цлянц! контактно! мере*!, з метою б!льш повного врахування геплового режиму контактного дроту.

6. Пор1вняльний анал!з принцип!в побудови теплових захист!в гоказав перспективн1сть дилатоыетричного методу. Описано математичну юдель теплового стану контактного дроту електротраяспорту.

7. Розроблено дилатометричний пристр!й захисту контактно! гереж!. Для термореле п!дготовлено конструкторську й техн!чну юкументац!в, необх!дну для його виготовлення й натурних шпробувань. Термореле рвал1зуеться на недорогих техн!чних елементах í може бути виготовлений без застосування ун!кально! технолог!!, (иготовлено досл!дний зразок пристрою й випробовано його в [абораторних умовах. Подано заявку на винах!д.

8. Эапропоновано тепловий захист контактно! мереж!, то выикае [атчик температуря, яхий встановлюеться на контактному дрот! в [1хп!дстанц!йн1й зон!, й приймально-передавалышй пристр!й, який :игнал1зу€ про виникнення перегр!ву.

Основний зм1ст дисертацП висв!тлено у таких публикациях:

1. Толстшсов Н.Г. Реле температурной защиты контактной сети 1Лектротранспорта//Межвуз. сб. науч. тр./ХГАЖГ, 1993. - вып. 27: [рименение микропроцессоров в системах железнодорожной автоматики. -!. 46-33.

2. Тырса В.Е., Толстшсов Н.Г. Механический расчет дилатометри-юского устройства защиты контактной сети//Вестник ХГАДТУ, 1993, [1.-С. 64-68.

3. Толстшсов Н. Г. Электронная защита контактного провода лектротранспорта//Межвуз, сб. науч. тр./ХГАЖГ, 1993.- вып. 27: [рименение микропроцессоров в системах железнодорожной автоматики.-!. 70-73.

4. Толстиков Н.Г. Математическая модель теплового состояния ;онтактного провода злектротранспорта//Вестник ХГАДТУ, 1996, [4. -С. 39-62.

3. Толстиков Н.Г. Устройства контроля температуры хонтактного ровода электротранспорта//Информационно - управляющие системы на елезнодорожном транспорте/ХГАЖГ. - N6, 1996.-С. 40-43.

17

8. Толстяков H. Г. Интегральная защита контактной сети электротранспорта//инфорыащ1онно-управлающие системы на железнодорожном транспорте/ХГАЖГ. - N1, 1997. -С. 36-39.

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

8. Толстяков Н. Г. Реле контроля температуры в системе защиты контактного провода электротранспортам/Международная научно-техническая конференция "Контроль и управление в технических системах". Тезисы дохл.-Винница С Украина), 1995, 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, 1995. -10с. - Библиогр. : 7 назв.-Рус.-Деп. в ГНТБ Украины 03.04.95, Н795-Ук95.

10. Толстиков Н. Г. Реле температурной защиты контактной сети городского наземного электротранспорта; Харьк. гос. авт. -дор. техн. ун-т. - Харьков, 1995. -6с. : ил. - Библиогр. : 3 назв. -Рус. -Деп. в ГНТБ Украины 03.04.95, Н793-Ук95.

11. Тырса В.Е., Толстиков Н.Г. Об энергетическом подходе к вопросу запиты контактной сети трамвая и троллейбуса от перегрузок и токов короткого замыкания; Харьк. гос. авт.-дор. техн. ун-т. -Харьков, 1995.-9с.: ил.- Бибяиогр. : 5 назв.-Рус.-Деп. в ГНТБ Украины 05.04.95, Н794-УК95.

12. Толстиков Н.Г. Влияние нагрева на состояние контактного провода электротранпорта; Харьк. гос. авт.-дор. техн. ун-т. -Харьков, 1995.-13с.-Библиогр.: 13 назв.-Рус.- Деп. в ГНТБ Украины 25.10.95, N2322-Ук95.

13. Толстиков Н. Г. Моделирование как один из эффективных методов анализа работы релейной завиты системы электроснабжения; Харьк, гос. авт.-дор. техн. ун-т.-Харьков, 1995.-11с.-Библиогр. ; 19 назв.-Рус.-Деп. в ГНТБ Украины 25.10.95, К2323-Ук95.

14. Заявка на изобретение (Украина). H02H03/08. Дилатометрическое термореле//Н.Г.Толстиков, Е.В. Трунов, В.Е.Тырса, 1996.

Особистий внесок автора в роботах у сп!вавторстве складае у розробц!-методики ыехан!чного -розрахунку- дилатометр!чного _ захисту_ контактно! мереж! 12,7), а такох функц!онально! схеми електронного захисту контактного дроту електротранспорту £113; техническом обгрунтуванн! винаходу £14].

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 33.11.13 - devices and methods of testing and protection of the snvironment, substances, materials and products. Kharkiv State Politechnical University, Kharlciv, 1997.

The thesis has developed automatic devices of contact network 3f electrotranspart defence produced of overheating by short ;ircuits 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 iefences 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 lutomatic devices are given.

АННОТАЦИЯ

Толстяков H. Г. Автоматические средства температурного контроля I защиты контактного провода электротранспорта.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических !аук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и защиты жружавдей среды, веществ, материалов и изделий. Харьковский "осударственный политехнический университет, Харьков, 1997.

В диссертации разработаны автоматические устройства защиты сонтактной сети электротранспорта от отжига, вызываемого короткими смыканиями и перегрузками - электронная токовременная защита и ¡илатометрическое термореле, основанные на методах прямого и :освенного контроля температуры контактного провода. Расчет 1лектронной и дилатометрической защит основан на разработанных [атематических моделях соответственно токов нагрузки и теплового «стояния контактного провода. Приведены результаты практического [спользования разработанных автоматических средств защиты юнтактного провода электротранспорта.

Ключов1 слова: автоматичн1 засоби, температурний контроль та ахист, контактний др1т, електротранспорт, струм навантаження, 11дпал, Kopo'rKi замикання, переваятаження,

¡О/icct^^ujiC-