автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Электродуговые процессы как основа технической диагностики нарушений токосъема в электротяговых сетях переменного тока

На правах рукописи

Колосов Дмитрий Владимирович

ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ КАК ОСНОВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЕМА В ЭЛЕКТРОТЯГОВЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05 22 07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ИЮН 2007

Ростов — на — Дону 2007

003063946

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы электроснабжения» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Жарков Юрий Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ульяницкий Евгений Мефодьевич (РГУПС)

кандидат технических наук, доцент Муханов Виталий Викторович (Ростовский государственный строительный университет (РГСУ))

Ведущая организация — Омский государственный университет

путей сообщения (ОмГУПС)

Защита диссертации состоится 2 июля 2007 г. в 14— на заседании диссертационного совета Д 218 010 01 при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д218010.01, доктор технических наук, профессор

Соломин В А.

Общая характеристика работы Актуальность исследований.

Одной из важнейших стратегических задач развития ОАО «РЖД» является рост эффективности и безопасности работы железнодорожного транспорта. Выполнение поставленных задач в немалой степени зависит от поддержания высоких эксплуатационных характеристик используемых технических объектов путем применения новых технологий в области диагностики технического состояния контролируемых элементов

В ряду технических и экономических проблем электрических железных дорог одно из основных мест занимают проблемы обеспечения надежного и экономичного токосъема Особая роль отводится разработке и применению высоконадежных и эффективных систем диагностики качества взаимодействия токоприемника ЭПС и контактного провода, позволяющих проводить оперативную диагностику нарушений токосъема на перегоне и осуществлять информационное обеспечение соответствующих служб и подразделений

В настоящее время контроль нарушений токосъема на железнодорожной линии осуществляется специализированным вагоном-лабораторией При этом имеют место относительно большие периоды времени между плановыми объездами участков (раз в квартал), в промежутках между которыми мониторинг практически не осуществляется Кроме того, такой контроль привязан к токоприемнику одного локомотива, к которому прицеплен вагон Такое положение не позволяет своевременно выявлять внезапно возникающие дефекты при осуществлении перевозочного процесса (отжиги, изгибы, вмятины, износ контактного провода, пропилы и сколы токосъемных накладок токоприемников), а также учитывать влияние на токосъем негативных климатических факторов (ветровые нагрузки, гололедно-изморозевые образования)

Для решения задачи постоянного контроля взаимодействия токоприемников ЭПС и контактной подвески по состоянию токосъема целесообразно использовать автоматизированные стационарные комплексы, расположенные вдоль трассы железной дороги, однако в настоящее время в нашей саране таких систем не существует Основной проблемой при создании автоматизированных комплексов мониторинга токосъема является необходимость разработки бесконтактного метода обнаружения нарушений токосъема и методики достоверного выявления полезного сигнала на фоне различных помех. Представляется, что эта задача может быть решена путем анализа радиоизлучений при нарушениях токосъема с помощью аппарата математического моделирования

Существующие модели токосъема, описанные в литературе, не в полной мере учитывают специфику электродуговых процессов для электрифицированной железнодорожной линии переменного тока В свою очередь, экспериментальные результаты измерений позволяют получать лишь ограниченную информацию в связи с привязкой результатов к конкретным условиям исследований и невозможностью рассмотрения влияния всех сопутствующих факторов

Для решения поставленной задачи представляется необходимой разработка математических моделей взаимодействия токоприемника ЭПС и кон-

тактного провода, выполненных с учетом особенностей токосъема на железной дороге и подтвержденных натурными экспериментами

Результаты моделирования физических и электрических процессов при различных режимах токосъема с учетом варьирования влияющих факторов могут быть использованы для создания и выбора оптимальных характеристик радиоприемных устройств, входящих в состав разрабатываемой автоматизированной системы диагностики нарушения токосъема и являющихся одними из наиболее важных ее элементов, а также для совершенствования алгоритма функционирования комплекса в целом

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей электродуговых процессов при нормальном токосъеме ЭПС и его дуговом нарушении для выполнения задач построения стационарных радиоприемных элементов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема и выбора их технических характеристик с учетом общих принципов функционирования комплекса мониторинга

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи

- выполнен анализ процессов дугообразования при нормальном (безотрывном) токосъеме и его нарушениях применительно к специфическим условиям электрифицированной железной дороги переменного тока;

- осуществлено создание и программная реализация аналитических и статистических моделей взаимодействия токоприемника электровоза и контактного провода при токосъеме при рассмотренных режимах и анализ результатов расчетов для выбора характеристик радиоприемных узлов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема,

- разработана математическая модель дугового токосъема средствами специализированного программного обеспечения EWB МиШэпп на ЭВМ с учетом особенностей электродуговых процессов на линиях переменного тока,

- проведен анализ результатов расчетов с использованием разработанных моделей и сравнение с данными экспериментальных исследований для определения адекватности моделей и достоверности полученных результатов,

- разработаны рекомендации по созданию и совершенствованию технических характеристик радиоприемного узла автоматизированной системы мониторинга токосъема по результатам моделирования

Методика исследования. Основу диссертационной работы составляют теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в период 2003-2007 гг В работе использованы методики моделирования на ЭВМ сложных электрических систем с применением аппарата линейной алгебры, теории функции многих переменных, численных методов решения систем нелинейных уравнений, систем дифференциальных уравнений, теории матриц

Научная новизна работы заключается в создании специализированных математических моделей дугового токосъема, отличающихся от существующих учетом особенностей электродуговых процессов на контактной сети переменного тока Разработанные модели позволяют провести количественную оценку радиоизлучений при нарушениях токосъема при изменении различных влияющих факторов

Основными научными результатами являются

- математическая модель нормального токосъема с использованием системы нелинейных уравнений для определения количественных характеристик электромагнитных излучений в данном режиме эксплуатации,

- аналитические и статистические модели для основных режимов нарушения токосъема, выполненные с помощью математического описания электромагнитных характеристик процессов, статистического анализа данных измерений на действующих участках и применения систем компьютерного моделирования,

- методика расчета электромагнитных излучений при нарушениях токосъема с использованием специализированных компьютерных средств моделирования работы участка электрифицированной железной дороги, учитывающая особенности электродуговых процессов при токосъеме на линиях переменного тока,

- рекомендации по выбору радиоприемных устройств средств технической диагностики, входящих в состав автоматизированного комплекса мониторинга токосъема, и определению параметров их функционирования

Достоверность научных положений и выводов. Достоверность разработанных аналитических и статистических моделей подтверждена строгостью теоретического обоснования и сравнением полученных результатов моделирования с экспериментальными данными

Практическая ценность работы. Созданы простые и достоверные средства моделирования различных режимов нарушения токосъема на участках переменного тока, разработаны рекомендации выбору параметров функционирования радиоприемных элементов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись, обсуждались и были одобрены на

- 4-й международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2003г),

- 2-м международном симпозиуме Eltrans 2003 (Санкт-Петербург, 2003г),

- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005», (Ростов-на-Дону, 2005г ),

- 7-й международной конференции «Modern electric traction m integrated XXIst century Europe» (Варшава, Польша, 2005г ),

- 6-й международной научно-практической конференции «Моделирование Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2006г ),

- 7-й международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2006г),

- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007», (Ростов-на-Дону, 2007г ),

- 7-й международной научно-практической конференции «Моделирование Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2007г )

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения Работа содержит 148 страниц основного текста, 8 таблиц, 74 рисунка, список использованных источников из 115 наименований и приложение на 10 страницах

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи работы и определены направления выбранных исследований

В первой главе «Автоматизация обнаружения нарушений токосъема в электротяговых сетях» проведен анализ существующих методов контроля состояния контактной сети и выполненных ранее исследований в области разработки автоматизированных систем диагностики нарушений токосъема Теоретической базой для исследований явились фундаментальные труды таких отечественных ученых, как И А Беляев, И И Власов, В А Вологин, Ю И Горошков, Ю И Жарков, Ю Е Купцов, К Г Марквард, В П Михеев, В В Муханов, Ю Г Семенов, О А Сидоров, Е М Ульяницкий, Е П Фигурнов, А В Фрайфельд, а также разработки зарубежных исследователей в аналогичной области

Для получения объективной оценки текущего состояния контактной сети и оперативного выявления нарушений токосъема представляется необходимым осуществлять постоянный эксплуатационный контроль как с помощью соответствующих технических средств инспекционных вагонов-лабораторий, так и применением стационарных автоматизированных систем диагностики нарушений токосъема Подобный комплексный подход призван обеспечить непрерывный контроль токосъема на участке, выявление внезапно возникших дефектов, в т ч под воздействием неблагоприятных климатических факторов, в процессе эксплуатации токоприемников и контактной сети и обеспечить соответствующие службы и подразделения необходимой технической информацией в режиме реального времени

Проведенный анализ применяемых систем мониторинга состояния контактной подвески позволяет сделать вывод, что в настоящее время не существует стационарных комплексов, использующих радиоизлучение, возникающее при дуговом нарушении контакта между накладкой токоприемника и контактным проводом, в качестве информационного признака нарушения токосъема и способных осуществлять оперативный контроль и диагностику нарушения токосъема в режиме реального времени

В данном случае имеет место недостаточная научно-техническая разработанность комплексных задач изучения дугообразования при токосъеме и отсутствие методик математического моделирования физических и электромагнитных процессов, учитывающих особенности токосъема на железнодорожной линии переменного тока

В этой связи выполнен анализ процессов дугообразования при взаимодействии контактной сети и токоприемника, проведено построение и программная реализация соответствующих математических моделей Результаты расчетов должны позволить определить наиболее информативные и достовер-

ные области значений параметров радиоизлучений при нарушениях токосъема и используются для выбора параметров радиоприемных узлов и элементов системы мониторинга токосъема в целях повышения оперативности и достоверности обнаружения автоматизированной системой диагностики нарушений токосъема на линии

Во второй главе «Математическое моделирование электродуговых процессов при нормальном (безотрывном) токосъеме» приведена методика построения аналитической модели нормального токосъема

Разработана аналитическая модель безотрывного токосъема для количественной оценки амплитудно-частотных характеристик радиоизлучений, представляющих собой мешающий (паразитный) сигнал, при различных влияющих факторах Модель может быть использована для разработки и совершенствования технических средств автоматизированной системы контроля нарушений токосъема

Нормальный токосъем можно рассматривать как дуговой, но в данном случае имеют место микродуги, возникающие между контактирующими точками проводников, при этом происходит изменение контактного сопротивления и тока

Результирующий ток через контактирующие поверхности можно рассматривать как сумму основной составляющей (ток электровоза) и изменяющейся во времени малой по величине составляющей, являющейся причиной возникновения электромагнитного радиочастотного шума Ввиду случайных характеристик шероховатости контактирующих поверхностей проводников, представляется необходимым моделировать контактное сопротивление между двумя скользящими поверхностями с помощью случайной функции Этот процесс возможно выразить формулой

Лс(0 = Лст+«У(г,а,г), (1)

где Кст - среднее значение контактного сопротивления, б - изменяющаяся случайная составляющая,

сс, г - два случайных числа, имеющих распределение плотностей вероятности д(а),р(т) соответственно

Контактное сопротивление возможно аналитически представить как серию прямоугольных импульсов, амплитуда и длительность которых являются случайными величинами

Основываясь на определенных допущениях, получена схема замещения тяговой сети (рисунок 1)

контактная сеть

Ri U,

О-

Rc

рельсовая цепь

В

Gkc

Скс

о-

и r2

и2

Рис 1 Эквивалентная схема замещения тяговой сети

Здесь Rc - контактное сопротивление между токосъемной накладкой пантографа и контактным проводом, R, - эквивалентное активное сопротивление локомотива Ток, потребляемый электровозом

Rl + Rcn, (R, + RCJ2 ' (2)

где U (t) - напряжение в контактной сети

Для расчета электромагнитного излучения при нормальном токосъеме, вызываемого мешающим током в тяговой сети, необходимо определить распределение данного тока по тяговой сети (линии с распределенными параметрами) при различных частотах Задача состоит из расчета спектральной плотности мощности, моделирования мешающего тока с помощью соответствующего источника тока и расчета мешающего тока, распространяющегося вдоль тяговой сети Спектральная плотность мощности рассчитана по формуле Карсона Характеристика источника тока J(/, В) , расположенного на месте ЭПС (рисунок 2) и распространяющего мешающий ток по тяговой сети, выражена как

J(/,B) = VG(/) В, (3)

где G(f) - спектральная плотность мощности, В - ширина частотного диапазона контактная сеть

J(f,B)

е-

рельсовая цепь

Рис 2 Схема замещения тяговой сети с источником мешающего тока

Эквивалентная схема с источником тока может характеризоваться следующими величинами (г = 1,2 )

тн, = „г.'М^ + г.сМ?, Сл<; 7 и,_

(г^нуи, + г,сьгп,)' '

где ,, , и ZI — соответственно, проводимость, ток короткого замыкания и сопротивление ¡-части тяговой сети,

у = }а>4ЬС и л/Ь/С - коэффициент распространения и волновое сопротивление линии (тяговую сеть при больших величинах й> можно рассматривать как линию без потерь),

Ог - расстояние между электровозом и 1-тяговой подстанцией С помощью теории цепей с распределенными параметрами рассчитано растекание мешающего тока по тяговой сети

т, л _ - г, )е'г(-х+0,) + <гс + г,

1 = У^гГг Щ^гВ^г^уО,) ' хе Ч, (5)

т г ~Г»21д - + (2е + г2)еЛх-°^

= 2(2^уВ2+2ссНуВ2) 'х е 1°.ВД. <6>

где Z1, 2г - сопротивление 1-го и 2-го участков тяговой сети

Зная ток дуги, токи 1к(х) ,12(х) и считая землю идеальным проводником, возможно вычислить излучаемое электромагнитное поле при основной частоте По результатам моделирования получен ряд амплитудно-временных и амплитудно-частотных диаграмм напряженностей электрического и магнитного полей при различной ширине сближения с тяговой сетью Амплитудные величины помех при нормальном токосъеме меньше результатов статистической обработки излучений при нарушениях токосъема в среднем на 15-20 дБ при соответствующей частоте, что дает возможность подтвердить выбор частотной области (130-140 кГц) и чувствительности радиоприемных устройств (приведенные параметры отражены в работах Ю Г Семенова) для надежной фильтрации полезного сигнала при дуговых процессах от подобных помех на участке Методика может применяться в смежных областях, например, при изучении вопросов электромагнитной совместимости

В третьей главе «Математическое моделирование электродуговых процессов при различных режимах нарушения токосъема» приведено описание аналитического и статистического расчетных методов, позволяющих произвести количественную оценку электромагнитных излучений, возникающих при различных режимах дугового нарушения токосъема

На основании проведенного анализа результатов основных аналитических описаний дугового разряда, опубликованных в зарубежной литературе, осуществлен выбор наиболее оптимального варианта математической модели с учетом особенностей дугового токосъема на железной дороге и поставленных

задач исследований В основе главы диссертационной работы лежит общая термодинамическая модель электрической дуги Л7'

Л

1я(у-1) ,2

(7)

где б' - удельная проводимость дуги, 1 - ток дуги,

п, у - термодинамические параметры, зависящие от температуры (для электрической дуги с температурой до 12000 К принимаем п = 0,32 , / = 0,67 ), А1, А2 - коэффициенты, зависящие от линейной функции распределения удельного теплового потока 7 (г) для характерного поперечного сечения плазменного канала дуги

Определена эквивалентная схема замещения участка электрифицированной железнодорожной линии при дуговом нарушении токосъема (рисунок 3)

контактная сеть ,

и

И-а

и'о

рельсовая цепь В

и

&

Сл

о

К2

и2

Рис 3 Эквивалентная схема замещения участка тяговой сети при дуговом токосъеме

Зависимость тока дуги га (?) от времени на основании результатов обратного преобразования Фурье

'«(0= 7(0-

йт

(8)

где Я, и - эквивалентные сопротивление и индуктивность электровоза,

1а(т) - величина воздушного промежутка между токосъемной накладкой пантографа и контактным проводом

В данном случае величина мешающего тока у (г) определяется как

и

7(0 = »«(0- ¡УА*~т)и(т)<*т,

(9)

где и(т) - напряжение между контактным проводом и рельсовой цепью перед возникновением дуги

Уравнения (7) и (8) составляют интегрально-дифференциальную систему - основу рассматриваемой аналитической модели Для численного решения ис-

ходных уравнений использован метод Рунге — Кутта при заданных начальных условий для параметров га , Са и сЬа / Л Расчет аналогичен рассмотренному ранее при моделировании нормального токосъема на участке В качестве примера на рисунке 4 представлена амплитудно-частотная диаграмма напряженности магнитного поля при различной ширине сближения с тяговой сетью ю4

мкА/м ю2 ю1 10°

Н

Ю-1 10'

ю3 ю" ю5 10® ю7 Гц ю» { -►

Рис 4 Амплитудно-частотная диаграмма Н(1)

Анализ результатов моделирования при вариации различных влияющих факторов показывает, что в диапазоне 130-140 кГц, ранее выбранном для работы специализированного радиоприемного устройства, входящего в состав автоматизированной системы диагностики дугового токосъема, для надежной регистрации полезного сигнала рекомендуется определить чувствительность приемника прямого усиления в диапазоне 3-6 мВ/м

В основе статистической модели лежат аналитические выражения для магнитного и электрического полей с применением метода линейного многоуровневого регрессионного анализа В качестве зависимых переменных используются величины напряженностей магнитного и электрического полей Объяснительные переменные характеризуют основные параметры, влияющие на свойства электромагнитного поля при дуговом токосъеме

На основе проведенного анализа получены следующие математические выражения для определения величин напряженностей Н и Е

Я =Юа° /а1 аа2 уа3 Г\ А/м, (10)

Е= 10Л уръ /Л,В/м (11)

Значения коэффициентов а0, а,, а2, а3,а4 (ро,р!,р2,р3,|34)определены путем анализа экспериментальных данных измерений В таблице 1 представлены величины отклонений результатов вычислений с использованием статистической модели от измеренных величин напряженностей магнитного и электрического полей

Таблица 1 - Отклонения между расчетными и измеренными величинами

Поле Максимальное отклонение, дБ Минимальное отклонение, дБ Среднее отклонение, дБ Дисперсия, дБ

И |АЯтах| |АЯИШ| \АН\ Сдя

21,2 0,4 7,5 9,9

|Е| |Л£тах| №

9,2 0,07 3,7 4,6

Результаты расчетов в меньшей степени совпадают с экспериментальными данными, чем при использовании аналитической модели, однако максимальная погрешность при расчетах не превышает 21,2 дБ (16 %) при дисперсии 9,9 дБ, что позволяет применять подобный подход для количественной оценки амплитудного уровня радиопомех при различных влияющих факторах, а также в качестве быстрого и наглядного способа проверки и подтверждения результатов, полученных экспериментальным путем

В четвертой главе «Моделирование дугового токосъема средствами специализированного программного обеспечения на ЭВМ и анализ результатов» рассмотрена методика моделирования дугового токосъема средствами программного обеспечения Е^ЛТЗ, проведено сравнение результатов расчетов с использованием разработанных математических моделей с экспериментальными данными, выполнен расчет протяженности зон распространения радиоизлучения, представлены основные результаты испытаний макетного образца автоматизированной системы диагностики дугового токосъема

Разработана методика моделирования схемы замещения тяговой сети и ЭПС на ЭВМ средствами специализированного ПО Е\Ш, учитывающая при моделировании особенности электродуговых процессов при токосъеме на участках переменного тока. На рисунке 5 представлены общие расчетные схемы для участков переменного тока при одно- и двухсторонней схемах питания

7 а

Рис 5 Общие схемы замещения участка тяговой сети а - система двухстороннего питания, б - система одностороннего питания

Обобщенная схема модели состоит из схем замещения тяговой подстанции (блоки 1,2, XI, Х2), контактной сети (3-6, Х2, ХЗ, Х6, Х7). электровоза (8, Х5), а также блока «точка контакта» (7, Х4).

В качестве точки контакта между токоприемником электровоза и контактным проводом применяется ключ, управляемый кодовой комбинацией генератора слова. В соответствии с рассмотренными особенностями возникновении повторных пробоев воздушного промежутка при дуговом токосъеме и в зависимости от рассматриваемого режима токосъема определяется двоичная кодовая комбинации работы генератора слова. При кратковременном размыкании ключа в блоке контакта, управляемого кодовой комбинацией генератора слова, осциллографом регистрируются высокочастотные выбросы, определяющие параметры радиоизлучений при выбранном режщде нарушения токосъема.

В результате программной симуляции рассмотренной схемы замещения получен ряд амплитудно-частотных характеристик электромагнитных излучений в процессе дугового токосъема при различных параметрах рассмотренной схемы замещения. Сравнительные результаты измерений на действующей участке и расчетных величин, полученных при моделировании (рисунок 6).

Рле. 6. Сравнение измеренных и расчетных данных моделирования

В результате анализа полученных данных можно сделать вывод, что наибольшие уровни радиоизлучений при выбранном режиме дугового токосъема при обоих режимах Питания тяговой сети наблюдаются в границах 0,1-0,2 МГц с последующим спадом уровня по мере возрастания частоты. При этом наблюдается увеличение уровня излучений в среднем на 10 дБ в диапазоне 6-14 МГц. Результаты моделирования подтверждают правильность выбора частотного спектра 130-140 кГц для работы специализированного радиоприемного устройства и определение дополнительной помехоустойчивой облас ти (14 МГц), обеспечивающей наилучшую частотную и

амплитудную селекцию сигналов от нарушений токосъема на фоне мешающего действия паразитных радиопомех.

Для оценки адекватности разработанных математических моделей реальным процессам при дуговом токосъеме, а также для проверки достоверности расчетных данных выполнено сравнение результатов экспериментальных исследований с расчетными величинами (рисунок 7).

Средняя величина абсолютного значения отклонения от расчетных данных составляет 4,5 дБмкВ/м (1 1%) при расчетной дисперсии величии погрешности 6,8 дБмкВ/м. Различия в результатах измерений и математических расчетов могут быть объяснены как спецификой условий экспериментальных исследований, влиянием большого количества дополнительных влияющих факторов, не полностью учтенных при анализе полученных данных, так и определенными допущениями при составлении и программной реализации аналитической МО-цели, принятыми для существенного упрощения расчетов при сохранении приемлемого уровня достоверности и адекватности полученных результатов.

Как показывают результаты сравнения, полученные расчетные данные соответствуют экспериментальным, как минимум, по Порядку величин, что позволяет сделать вывод об адекватности предложенной аналитической модели дугового токосъема.

Для оценки протяженности зон распространения радиоизлучений при дуговом токосъеме и дальности обнаружения использованы данные расчетов с применением разработанной аналитической модели. При этом распространение токов, вызванных дугообразованием в зоне контакта токоприемника и контактного про иод а, описывается с помощью формул (5) и (6). По результатам расчетов сделан вывод, что при заданных параметрах радиоприемных устройств ав-

а Г □ расчет

Рис. 7. Сравнение экспериментальных и расчетных данных

томатизированной системы диагностики дальность обнаружения полезного сигнала составляет не менее 1 км в обе стороны от места дугового токосъема

С участием автора были проведены испытания макетного образца автоматизированной системы диагностики нарушений токосъема Одними из целей испытания были определение работоспособности и качества работы радиоприемных системы и дальности обнаружения полезных радиосигналов По результатам исследований сделан вывод о работоспособности и достаточной помехоустойчивости испытанного образца при дальности обнаружения полезных сигналов не менее 1 км в обе стороны от места приема, что согласуется с результатами расчетов

Автор выражает благодарность д т н , профессору Фигурнову Е П и к т н , доценту Семенову Ю Г за научные консультации

Основные результаты и выводы

Основные результаты представленной диссертационной работы заключаются в следующем

1 Выполнен анализ процессов дугообразования при нормальном токосъеме и его нарушениях, вызванных различными причинами, применительно к специфическим условиям электрифицированной железной дороги

2 Разработана аналитическая модель нормального токосъема с использованием системы нелинейных уравнений для определения количественных характеристик электромагнитных излучений в данном режиме эксплуатации

3 Осуществлены разработка и программная реализация аналитических и статистических моделей взаимодействия токоприемника электровоза и контактного провода при различных режимах нарушения токосъема и анализ результатов расчетов для определения характеристик радиоприемных узлов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема

4 Выполнено построение математической модели дугового токосъема средствами специализированного программного обеспечения Е'ЭДВ Микшт на ЭВМ с учетом особенностей электродуговых процессов на линиях переменного тока

5 Результаты сравнения данных расчетов с применением аналитической модели дугового токосъема с экспериментальными данными доказывают адекватность разработанной модели и достоверность полученных результатов

6 Выполнен расчет протяженности зон распространения радиоизлучения при дуговом токосъеме согласно методике, положенной в основу разработанной аналитической модели Дальность обнаружения полезного сигнала может составлять не менее 1 км в обе стороны от источника при заданных параметрах радиоприемной аппаратуры автоматизированной системы диагностики нарушений токосъема, что подтверждается испытаниями образца системы

7 Разработаны рекомендации по созданию и совершенствованию технических характеристик радиоприемного узла автоматизированной системы мониторинга токосъема по результатам моделирования

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Жарков Ю И , Семенов Ю Г , Колосов Д В Контроль качества токосъема на электрифицированных участках железных дорог Сборник тезисов докладов 62-й студенческой научно-практической конференции/Под ред А H Гуды - Ростов н/Д Рост гос ун-т путей сообщения, 2003 - С 96-97

2 Жарков Ю И , Семенов Ю Г, Фигурнов Е П , Колосов Д В Автоматизированная диагностика нарушений токосъема в электротяговых сетях Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики Материалы IV Междунар науч -практ конф , г Новочеркасск, 26 сентября 2003 г В 3 ч /Юж -Рос гос техн ун-т (НПИ) - Новочеркасск ЮРГТУ, 2003 -4 2 - С 45-50

3 Жарков Ю И , Семенов Ю Г, Фигурнов Е П , Колосов Д В Системотехнические основы автоматизированной диагностики нарушений токосъема в электротяговых сетях Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте Материалы второго международного симпозиума eltrans 2003, 21-24 октября 2003г, ПГУПС, 2004 - С 133-134

4 Жарков Ю И , Семенов Ю Г , Колосов Д В Автоматизация диагностики дугового токосъема в электротяговых сетях железных дорог Сборник тезисов докладов 63-й студенческой научно-практической конференции / Под ред А H Гуды - Ростов н/Д Рост гос ун-т путей сообщения, 2004 -С 45-47

5 Жарков Ю И, Колосов Д В Статистическое моделирование дугового токосъема в электротяговых сетях переменного тока Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта Сб науч тр молодых ученых, аспирантов и докторантов / Под ред д-ра техн наук, проф А H Гуды - Ростов н/Д Рост гос ун-т путей сообщения, 2005 - С 45-47

6 Жарков Ю И , Колосов Д В Моделирование дуговых процессов при нарушениях токосъема Труды Всероссийской научно практической конференции «Транспорт-2005», май 2005 г в 2-х частях Часть 2 Рост гос ун-т путей сообщения Ростов н/Д, 2005 - С 335-337

7 Zharkov J I, Semenov J G , Figurnov E P , Kolosov D V «The automated current collection failure diagnostic system for AC electrified lailways» Seventh international conference «Modern electric traction in integrated XXIst century Europe», Warsaw, 2005 - pp 134-136

8 Жарков Ю И, Колосов Д В Математическое моделирование режимов нарушения токосъема в электротяговых сетях переменного тока Моделирование Теория, методы и средства Материалы VI Междунар науч -практ конф, г Новочеркасск, 7 апр 2006г В 5 ч / Юж -Рос гос техн ун-т (НПИ) - Новочеркасск ЮРГТУ, 2006 - Ч 2 - С 40-43

9 Колосов Д В Статистическое моделирование дугового токосъема в тяговых сетях переменного тока Совершенствование схем устройств электроснабжения транспорта и проектирование их конструкций Сб науч

тр / Под ред. А Г Галкина Екатеринбург Изд-во Урал гос ун-та путей сообщения, 2005 Вып 48(131) - С 116-118

10 Kolosov D.V The developing of current collection failure diagnostic system for AC electrified railways Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики Материалы VII Международной науч-практ конф., г Новочеркасск, 29 сент 2006г. В 3 ч / Юж -Рос гос техн ун-т (НПИ) -Новочеркасск ЮРГТУ, 2006. - Ч 1 -С.10-12

11 Колосов Д В Разработка математических моделей электродуговых процессов в задачах автоматизации мониторинга токосъема в электротяговых сетях железных дорог Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения - 2007. - №2 - С 81-85

12 Колосов Д В Имитационное моделирование дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях переменного тока Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007», ч 2 , Рост гос унт путей сообщения Ростов н/Д, 2007 - С 45-46

13 Колосов Д В Имитационное моделирование дуговых процессов при токосъеме в электротяговых сетях переменного тока Моделирование Теория, методы и средства Материалы VII Междунар науч -практ конф, г Новочеркасск / Юж -Рос гос техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск ЮРГТУ, 2007 - С 34-37.

Колосов Дмитрий Владимирович

ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ КАК ОСНОВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЕМА В ЭЛЕКТРОТЯГОВЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05 22 07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 29 05 2007г Формат бумаги 60x84/16 Бумага офсетная Ризография Услпечл 1,0 Тираж 100 Заказ № ЗЪВО.

Ростовский государственный университет путей сообщения Ризография РГУПС

344038, г Ростов-на-Дону, пл Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2

Введение

1. Автоматизация обнаружения нарушений токосъема в 13 электротяговых сетях

1.1 Общие положения

1.2 Анализ современных методов и средств контроля токосъема

1.3 Общие принципы построения автоматизированной системы 24 мониторинга токосъема

1.4 Радиоизлучение в электротяговых сетях переменного тока и 28 физические основы дугообразования при токосъеме

1.5 Цели и задачи исследований

2. Математическое моделирование электродуговых процессов 38 при нормальном (безотрывном) токосъеме

2.1 Постановка задачи

2.2 Основные направления исследования электрической дуги

2.3 Аналитическое моделирование радиоизлучений при 43 нормальном (безотрывном) токосъеме

2.4 Программная реализация и результаты расчетов

2.5 Выводы 64 3 Математическое моделирование электродуговых процессов при различных режимах нарушения токосъема

3.1 Постановка задачи

3.2 Обзор существующих решений и выбор модели 68 электрической дуги

3.3 Схема замещения тяговой сети и система интегрально- 78 дифференциальных уравнений

3.4 Программная реализация модели дугового токосъема и 85 результаты расчетов

3.5 Статистическое моделирование дугового токосъема

3.6 Выводы

4 Моделирование дугового токосъема средствами 107 специализированного программного обеспечения на ЭВМ и анализ результатов

4.1 Моделирование нарушений токосъема с помощью 107 программного комплекса EWB Multisim

4.2 Анализ и сравнение результатов моделирования дугового 119 токосъема

4.3 Определение протяженности зон распространения излучения 124 и дальности обнаружения

4.4 Результаты экспериментальных испытаний 128 автоматизированной системы диагностики дугового токосъема

4.5 Выводы 133 Заключение 135 Литература 138 Приложение

В настоящее время одной из важнейших стратегических задач развития ОАО «Российские железные дороги» является рост эффективности и безопасности работы железнодорожного транспорта. В качестве основной составляющей данной стратегии выступает принципиально новая основа оценки основных эксплуатационных фондов по показателям технической готовности и надежности подвижного состава и объектов инфраструктуры [1-3].

Выполнение поставленных задач в немалой степени зависит не только от модернизации основных фондов ОАО «РЖД», но и от поддержания высоких эксплуатационных характеристик уже используемых технических объектов путем применения новых технологий в области мониторинга и диагностики технического состояния контролируемых элементов. Создание оперативных и эффективных систем технической диагностики должно позволить предотвратить возникновение аварийных ситуаций, повысить надежность и безопасность эксплуатации железнодорожной линии, оптимизировать капитальные затраты на текущее содержание и ремонт и, как следствие, повысить общую конкурентоспособность [4-5].

Разработка подобного комплекса автоматизированных систем мониторинга и диагностики состояния технических объектов железной дороги входит в Концепцию развития и внедрения технического диагностирования в хозяйстве электроснабжения ОАО «РЖД» и соответствует аналогичным программам железных дорог.

В ряду технических и экономических проблем электрических железных дорог одно из основных мест занимают проблемы обеспечения надежного и экономичного токосъема. С ростом мощности электроподвижного состава (ЭПС) и скоростей движения поездов усложнялись задачи, относящиеся к проектированию и эксплуатации контактной сети (КС) и токоприемников, образующих сильноточный скользящий электрический контакт. Методы изучения и совершенствования процесса передачи электроэнергии существенно отличаются от реализуемых в других скользящих контактах, отличаются от реализуемых в других скользящих контактах, например, в электрических машинах [6]. Обеспечение высокого качества токосъема, т.е. определение требуемых параметров контактной подвески и токоприемников и их рациональных конструкций при высоких экономических показателях, является основной целью оптимизации взаимодействия названных устройств.

Особая роль отводится разработке и применению высоконадежных и эффективных систем диагностики качества взаимодействия токоприемника ЭПС и контактного провода, позволяющих проводить оперативную диагностику нарушений токосъема на контролируемом участке и осуществлять информационное обеспечение соответствующих служб и подразделений.

В отечественной и зарубежной практике принят комплексный подход к задаче повышения качества токосъема на железной дороге [7-16].

С одной стороны осуществляется непрерывное совершенствование существующих систем и создание новых типов контактных подвесок и токоприемников, синтез новых материалов и методик проектирования с использованием последних достижений в области информационных технологий и компьютерной техники [17-22].

С другой стороны важная роль принадлежит разработке способов поддержания состояния контактной сети и токоприемников электроподвижного состава на высоком техническом уровне за счет получения и применения оперативной информации о текущих эксплуатационных характеристиках элементов в режиме реального времени. Данные могут быть получены путем внедрения новых автоматизированных высокотехнологичных комплексов мониторинга и диагностики технических объектов, основанных на современных устройствах обработки и передачи информации и интеграции в общую базу данных существующих систем управления функционированием железной дороги [23-41].

Эти направления в нашей стране широко отражены в исследованиях, проводимых ВНИИЖТ, РГУПС, МИИТ, ОмГУПС, научных трудах И.А.Беляева, И.И.Власова, В.А.Вологина, Ю.И.Горошкова, Ю.И.Жаркова,

Ю.Е.Купцова, К.Г.Маркварда, В.П.Михеева, В.В.Муханова, Ю.Г.Семенова, О.А.Сидорова, Е.М.Ульяницкого, Е.П.Фигурнова, А.В.Фрайфельда и других. В зарубежной научной практике большое распространение получило создание методик разработки специализированных систем технической диагностики. В числе наиболее существенных современных трудов по данной тематике, рассмотренных в диссертационной работе, можно выделить исследования Дж.Лукка (G.Lucca), Д.Фабрици (D.Fabrizi), С.Брилланте (S.Brillante), А.Орланди (A.Orlandi), А.Ферреро (A.Ferrero) (Италия), Д.Амфт (D.Amft), Г.Ленинг (G.Loehning) (Германия), Дж.Р.Хилл (J.R.Hill) (Великобритания) и других.

Важно отметить, что контроль мест с дуговым токосъемом на железнодорожной линии, который должен осуществляться специализированным вагоном-лабораторией, в настоящее время не проводится должным образом по причинам отсутствия соответствующих технических средств, относительно больших промежутках между объездами участков и привязке средств контроля состояния токоприемника к определенному ЭПС. Существующая методика контроля состояния контактной сети не позволяет своевременно выявлять внезапно возникшие дефекты в процессе эксплуатации токоприемников и контактной сети, а также учитывать влияние на токосъем негативных климатических факторов, что позволяет сделать вывод об ограниченной эффективности и оперативность метода [10, 42].

В настоящее время в нашей стране не существует экономичных и надежных стационарных автоматизированных систем диагностики нарушений токосъема. Представляется необходимым осуществлять комплексную автоматизацию контроля участков с дуговым токосъемом с использованием современных компьютерных средств и новых информационных технологий, представляющую собой единую систему обнаружения и распознавания опасных режимов токосъема на контролируемом участке и передачи необходимой оперативной информации о них энергодиспетчеру.

Наиболее эффективное развитие и практическое внедрение подобных комплексов представляется возможным осуществить с применением аппарата моделирования физических процессов при различных режимах токосъема на электрифицированной линии, а также с использованием данных экспериментальных исследований на действующих участках железных дорог.

Существующие модели токосъема при больших токах нагрузки, описанные в литературе, не в полной степени учитывают особенности электродуговых процессов для электрифицированной железнодорожной линии переменного тока. В свою очередь, экспериментальные результаты измерений позволяют получать лишь ограниченную информацию в связи с привязкой результатов к конкретным условиям исследований и невозможностью рассмотрения влияния всех сопутствующих факторов [43-47].

Таким образом, представляется необходимой разработка математических моделей взаимодействия токоприемника ЭПС и контактного провода, выполненных с учетом особенностей токосъема на железной дороге и позволяющих варьировать различные влияющие на итоговый результат факторы.

При взаимодействии токоприемника локомотива и контактной сети в процессе движения часто возникают нарушения скользящего контакта между токосъемными накладками и поверхностью контактного провода [7-8].

Нарушения токосъема могут возникать в случаях:

- наличия на контактной сети жестких точек в виде сосредоточенных масс;

- нарушения регулировки контактной подвески и ее элементов, некачественный монтаж элементов;

- наличия сосредоточенных дефектов контактных проводов;

- нарушения динамических свойств токоприемника, неравномерности износа токосъемных накладок;

- наличия на контактной сети гололедных отложений и изморози.

Проведенный в различных научных трудах анализ показывает, что из указанных опасных видов нарушения токосъема можно выделить следующие основные режимы: нарушения токосъема с образованием электрической дуги по причинам, связанным с дефектами контактной сети, повреждениями токоприемника и с гололедообразованием на контактирующих элементах [36-39].

Все указанные опасные режимы токосъема сопровождаются интенсивным дугообразованием в месте потери контакта. Результатом такого дугового воздействия являются: значительный местный дуговой износ контактирующих элементов, приводящий к пережогам и обрывам контактных проводов, к поломке токоприемников, к нарушению электроснабжения и прекращению движения поездов; мощные импульсные радиопомехи на устройства связи и на воздушные линии СЦБ, превышающие нормируемые значения; появление в рельсовых цепях автоблокировки субгармоник тягового тока, зачастую приводящих к ложным переключениям сигнальных точек. Проведенные исследования показывают, что радиоизлучение от дуговых нарушений токосъема является достаточно достоверным признаком возникновения указанных основных режимов нарушений, а характеристики радиоизлучений имеют характерные отличия, позволяющие уверенно распознавать причины (режимы) нарушения токосъема при реализации соответствующего алгоритма распознавания режимов дугового токосъема по радиопомехам.

Создание системы автоматизированной диагностики токосъема для электрифицированной железнодорожной линии представляет собой сложную комплексную задачу, заключающуюся как в разработке общих принципов построения системы, так и в технической реализации и выборе параметров отдельных элементов.

Для выбора характеристик радиоприемных устройств, входящих в состав разрабатываемой автоматизированной системы диагностики нарушения токосъема и являющихся одними из наиболее важных ее элементов, и совершенствования алгоритма функционирования системы представляется целесообразным использовать данные, полученные с применением методов математического моделирования физических и электрических процессов при различных режимах токосъема. Результаты моделирования должны позволить провести анализ радиоизлучений при нарушениях токосъема с учетом варьирования различных влияющих факторов.

Целью диссертационной работы является разработка математических моделей электродуговых процессов при нормальном токосъеме и его нарушениях для выполнения задач выбора технических характеристик радиоприемных элементов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема с учетом общих принципов функционирования комплекса.

Для достижения сформулированной цели требуется решение следующих задач:

1. Анализ процессов дугообразования при нормальном (безотрывном) и дуговых нарушениях токосъема применительно к специфическим условиям электрифицированной железной дороги переменного тока.

2. Создание и программная реализация аналитических и статистических моделей взаимодействия токоприемника электровоза и контактного провода при токосъеме при рассмотренных режимах и анализ результатов расчетов для определения рекомендуемых характеристик радиоприемных узлов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема.

3. Разработка математической модели дугового токосъема средствами специализированного программного обеспечения на ЭВМ с учетом особенностей электродуговых процессов на линиях переменного тока.

4. Анализ результатов расчетов с использованием разработанных моделей и сравнение с данными экспериментальных исследований для определения адекватности моделей и достоверности полученных результатов.

5. Разработка рекомендаций по выбору технических характеристик радиоприемного узла автоматизированной системы мониторинга токосъема по результатам моделирования.

В качестве методов исследования автором были использованы положения теории статистического анализа, методики моделирования на ЭВМ сложных электрических систем с применением аппарата линейной алгебры, теории функции многих переменных, численных методов решения систем нелинейных уравнений большой размерности, систем дифференциальных уравнений и теории матриц. Проверка эффективности предложенных методов и алгоритмов основывалась на вычислительных экспериментах, проводимых на базе специализированных программных продуктов, с последующим сравнением результатов моделирования с данными измерений на действующих участках, полученными из открытых источников.

В качестве инструментально-методического аппарата были использованы пакет прикладных математических программ Mathcad 2003, система визуального имитационного моделирования электрических схем Electronics Workbench Multisim 8, приложения пакета MS Office ХР.

При проведении автором диссертационного исследования были использованные сведения и данные из монографий и статей отечественных и зарубежных исследователей, информация, полученная в результате личных консультаций с иностранными учеными, материалы научно-практических конференций по тематике «автоматизация технологических процессов» и «математическое и компьютерное моделирование», информационные ресурсы ОАО «РЖД» и сети Интернет.

Научная новизна диссертационной работы заключается в создании специализированных математических моделей дугового токосъема, отличающихся от существующих учетом особенностей электродуговых процессов на контактной сети переменного тока. Разработанные модели позволяют провести количественную оценку радиоизлучений при нарушениях токосъема при изменении различных влияющих факторов.

Основными научными результатами диссертации являются:

1. Математическая модель нормального токосъема с использованием системы нелинейных уравнений для определения количественных характеристик электромагнитных излучений в данном режиме эксплуатации.

2. Аналитические и статистические модели для основных режимов нарушения токосъема, выполненные с помощью математического описания электромагнитных характеристик процессов, статистического анализа данных измерений на действующих участках и применения систем компьютерного моделирования.

3. Методика расчета электромагнитных излучений при нарушениях токосъема с использованием специализированных компьютерных средств моделирования работы участка электрифицированной железной дороги, учитывающая особенности электродуговых процессов при токосъеме на линиях переменного тока.

4. Рекомендации по выбору радиоприемных устройств средств технической диагностики, входящих в состав автоматизированного комплекса мониторинга токосъема, и определению параметров их функционирования.

Достоверность разработанных аналитических и статистических моделей подтверждена сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными. Полученные результаты обсуждались на международных (Варшава, 2005г., Санкт-Петербург, 2003г., Новочеркасск, 2005-2007 гг.), межвузовских (Екатеринбург, 2004) и кафедральных научно-технических конференциях и семинарах.

Реализация результатов диссертационной работы состоит в создании простых и достоверных средств моделирования различных режимов нарушения токосъема на участках переменного тока.

Практическим результатом работы является разработка рекомендаций по выбору параметров функционирования радиоприемных элементов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема с целью повышения надежности и эффективности работы системы.

Основные научные и практические результаты работы изложены в 13 печатных работах (статьях в научных сборниках, тезисах докладов конференций, в том числе международного уровня), в зарубежной отраслевой конференции («Modern electric traction in integrated XXIst century Europe», 2005, Польша), научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава РГУПС «Транспорт 2005-2007».

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

4.5 Выводы

В главе 4 рассмотрена методика моделирования дугового токосъема средствами программного обеспечения EWB, позволяющая учитывать при моделировании особенности электродуговых процессов при токосъеме на участках переменного тока; проведено сравнение результатов расчетов с использованием разработанных математических моделей с экспериментальными данными; выполнен расчет протяженности зон распространения радиоизлучения; представлены основные результаты испытаний макетного образца автоматизированной системы диагностики дугового токосъема.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Использование специализированных программных продуктов (Electronics Workbench Multisim) для симуляции работы электрических схем замещения тяговой сети и ЭПС при дуговом токосъеме позволяет получить ряд амплитудно-частотных характеристик электромагнитных излучений при различных параметрах рассмотренной схемы замещения (варьирование длины межподстанционной зоны, количества и суммарных потребляемых токов ЭПС на участке, характеристик контактной подвески, частоты и длительности следования повторных пробоев воздушного промежутка). Амплитудно-частотные спектры расчетных данных, полученных путем реализации предложенной модели, соответствуют экспериментальным результатам измерений. Результаты моделирования подтверждают выбор частотного спектра 130-140 кГц для работы специализированного радиоприемного устройства и определение дополнительной помехоустойчивой области (14 МГц), обеспечивающей наилучшую частотную и амплитудную селекцию сигналов от нарушений токосъема на фоне мешающего действия паразитных радиопомех, что доказывает возможность применения разработанной модели для анализа радиоизлучений при различных режимах дугового токосъема в целях выбора параметров радиоприемных устройств автоматизированной системы мониторинга токосъема.

2. Результаты сравнения данных расчетов с применением аналитической модели дугового токосъема с экспериментальными данными показывают, что в рассматриваемом частотном спектре средняя величина абсолютного значения отклонения результатов составляет 4,5 дБмкВ/м (11%) при расчетной дисперсии величин погрешности 6,8 дБмкВ/м.

3. Выполнение расчетов протяженности зон распространения радиоизлучения при дуговом токосъеме согласно методике, положенной в основу разработанной аналитической модели, показывает, что дальность обнаружения полезного сигнала может составлять не менее 1 км в обе стороны от источника при заданных параметрах чувствительности, избирательности и рабочего частотного диапазона радиоприемной аппаратуры системы мониторинга. Достоверность рассчитанной дальности приема сигнала подтверждается испытаниями макетного образца автоматизированной системы диагностики нарушений токосъема.

4. По результатам экспериментальных исследований макетного образца автоматизированной системы диагностики нарушений токосъема сделан вывод, что аппаратная часть антенного узла и специализированного радиоприемного устройства, при изготовлении и настройке которых, в том числе, использовались результаты моделирования дугового токосъема с применением разработанных математических моделей, решена технически правильно; испытанный макетный образец автоматизированной системы работоспособен и обладает достаточной помехоустойчивостью; при этом дальность обнаружения полезных сигналов макетным образцом системы составляет не менее 1 км в обе стороны от места приема, что согласуется с приведенными данными расчетов. Полученные результаты подтверждаются соответствующим актом испытаний (см. приложение).

Заключение

На основе анализа явления дугообразования при взаимодействии контактной сети и токоприемников электровозов на участках железной дороги переменного тока и реализации математических моделей режимов нарушения токосъема разработаны технические рекомендации по созданию радиоприемных элементов системы технической диагностики, входящих в состав автоматизированного комплекса мониторинга токосъема, и выбору параметров их функционирования.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Выполнен анализ физических процессов дугообразования при нормальном токосъеме и его нарушениях, вызванных различными причинами, применительно к специфическим условиям электрифицированной железной дороги.

2. Разработана аналитическая модель нормального токосъема с использованием системы нелинейных уравнений для определения количественных характеристик электромагнитных излучений в данном режиме эксплуатации. Соответствующие расчетные уровни излучений в среднем на 5-10 % меньше регистрируемых при экспериментальных исследованиях, что может быть объяснено определенными допущениями при составлении и программной реализации аналитической модели, выполненными для существенного упрощения расчетов при сохранении приемлемого уровня достоверности и адекватности полученных результатов. Амплитудные уровни радиопомех при нормальном (безотрывном) токосъеме меньше уровней излучений на действующем участке при дуговых нарушениях токосъема на 15-20 дБ для соответствующих частот и ширины сближения с тяговой сетью, что дает возможность определить частотную область (верхняя граница диапазона НЧ, 130-140 кГц, длина волны 2,14 -2,3 км) и чувствительность радиоприемных устройств (4-5 мВ/м для приема магнитной составляющей сигнала) для надежной фильтрации ла) для надежной фильтрации полезного сигнала при дугообразовании от подобных помех.

3. Осуществлена разработка и программная реализация аналитических и статистических моделей взаимодействия токоприемника электровоза и контактного провода при различных режимах нарушения токосъема и анализ результатов расчетов для определения характеристик радиоприемных узлов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема. Результаты моделирования при различных влияющих на радиоизлучение факторах показывают, что в диапазоне 130-140 кГц, выбранном для работы специализированного радиоприемного устройства, входящего в состав автоматизированной системы диагностики, расчетные величины уровней радиоизлучений позволяют установить чувствительность приемника прямого усиления в диапазоне 3-6 мВ/м для уверенного приема сигнала при нарушениях токосъема.

4. Выполнено построение математической модели дугового токосъема средствами специализированного программного обеспечения Elecrtonis Workbench Multisim на ЭВМ с учетом особенностей электродуговых процессов на линиях переменного тока. Амплитудно-частотные спектры расчетных данных, полученных путем реализации предложенной модели, соответствуют экспериментальным результатам измерений, что дает возможность применения разработанной модели для анализа радиоизлучений при различных режимах дугового токосъема в целях выбора рекомендуемых параметров радиоприемных устройств автоматизированной системы мониторинга токосъема. Результаты моделирования подтверждают корректность выбора частотного спектра для работы специализированного радиоприемного устройства (130-140 кГц), а также определение дополнительной помехоустойчивой области (14 МГц), обеспечивающей наилучшую частотную и амплитудную селекцию сигналов при нарушении токосъема на фоне мешающего действия паразитных помех.

5. Результаты сравнения данных расчетов с применением аналитической модели дугового токосъема с экспериментальными данными показывают, что в рассматриваемом частотном спектре средняя величина абсолютного значения отклонения результатов составляет 4,5 дБмкВ/м (11%) при расчетной дисперсии величин погрешности 6,8 дБмкВ/м, что доказывает адекватность разработанной модели и достоверность полученных результатов.

6. Выполнение расчетов протяженности зон распространения радиоизлучения при дуговом токосъеме согласно методике, положенной в основу разработанной аналитической модели, показывает, что дальность обнаружения полезного сигнала может составлять не менее 1 км в обе стороны от источника при заданных параметрах радиоприемной аппаратуры автоматизированной системы мониторинга. Достоверность расчетов дальности распространения сигнала подтверждается испытаниями макетного образца автоматизированной системы диагностики дугового токосъема.

7. По результатам экспериментальных исследований макетного.образца автоматизированной системы диагностики дугового токосъема сделан вывод, что аппаратная часть антенного узла и специализированного радиоприемного устройства, при изготовлении и настройке которых, в том числе, использовались результаты моделирования дугового токосъема с применением разработанных математических моделей, решена технически правильно; испытанный макетный образец автоматизированной системы работоспособен и обладает достаточной помехоустойчивостью; дальность обнаружения полезных сигналов макетным образцом системы составляет не менее 1 км в обе стороны от места приема, что согласуется с приведенными данными расчетов. Полученные результаты подтверждаются соответствующим актом испытаний (представлен в приложении).

1. Доклад президента ОАО "РЖД" В.И. Якунина на итоговом заседании Правления Компании 18 декабря 2006 года.

2. Выступление президента ОАО "РЖД" В.И. Якунина на заседании Правительства Российской Федерации 26 октября 2006 года.

3. Котельников А.В. Энергетическая стратегия железных дорог России. Железные дороги мира, 2005, №2.

4. Корне Ж. Железнодорожный транспорт Западной Европы новый взгляд. -Железные дороги мира, 2004, №7. Rail International, 2004, №4, р.2-6.

5. Сравнение концепций высокоскоростных поездов Европы. Железные дороги мира, 2004, №9. F.Labrenz. Eisenbahningenieur, 2002, №12, s.23-26.

6. Забоин В. Н. Математическое моделирование электрических и механических характеристик систем токосъема электроэнергетических машин // Изв. РАН: Энергетика. 1999. - № 3. - с. 90-96.

7. Беляев И.А., Вологин В.А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети, М.: Транспорт, 1983. - 191 с.

8. Борц, Ю.В., Чекулаев, В.Е. Контактная сеть. М.: Транспорт, 1981.

9. Горошков Ю.И., Бондарев Н.А. Контактная сеть. М.: Транспорт, 1973. -384с.

10. Ю.Купцов Ю.Е. Беседы о токосъеме, его надежности, экономичности и о путях совершенствования. М.: Издательство «Модерн-А», 2001 - 256 е.: илл.

11. Марквард К.Г. Контактная сеть. М.: Транспорт, 1994.

12. Справочник по электроснабжению железных дорог. Том 2 / Под ред. К.Г.Маркварда. М.: Транспорт, 1981. - 392 с.

13. Фрайфельд А.В., Брод Г.Н. Проектирование контактной сети. М.: Транспорт, 1991.

14. Н.Фрайфельд А.В., Бондарев, Н.А. Устройство, сооружение и эксплуатация контактной сети и воздушных линий. М.: Транспорт, 1987.

15. Беляев И.А. Равноэластичная контактная подвеска. Электрическая и тепловая тяга, 1977, №2 - с.22-27.

16. Беляев И.А., Вологин В.А., Фрайфельд А.В. Совершенствование токоприемников и контактных подвесок и методов их взаимодействия для высоких скоростей движения. Железные дороги мира, 1976, №11 - с.3-21.

17. Беляев И.А., Михеев В.П., Шнян В.А. Токосъем и токоприемники электроподвижного состава. -М.: Транспорт, 1976. 184с.

18. Василянский А. М., Мамошин Р. Р., Якимов Г. Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц Железные дороги мира. 2002, № 8, с. 40-46.

19. Миронос H.B., Тюрнин П.Г., Тибилов А.Т. Исследование токосъема на базе системы технического зрения. Вестник ВНИИЖТ, 2005, №5.

20. Контактная подвеска типа SICAT Н 1.0 высокоскоростной линии Кельн -Рейн/Майн. Железные дороги мира, 2004, №5. J.Kohlhaas et al. Elektrische Bahnen, 2002, №7, s.249-257.

21. Монтаж и техническое обслуживание контактной сети. Железные дороги мира, 2005, №9. R.Wenty. Technical Review, 2005, №2, р.20-24.

22. Моторный вагон серии 711.1 для технического обслуживания контактной сети Железные дороги мира, 2004, №5. D.Franke. Elektrische Bahnen, 2003, №1/2, s.63-71.

23. A.C. 246564 (СССР) Устройство для регистрации числа отрывов токоприемника электрического транспорта от контактной сети / Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта; авт. изобрет. Фигурнов Е.П. -Опубл. в Б.И., 1969, №21, с.63.

24. А.С. 815501 (СССР) Устройство для регистрации искрения токоприемника / Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта; авт. изобрет. Семенов Ю.Г., Фигурнов Е.П. Опубл. в Б.И., 1981, №11, с. 171.

25. А.С. 829459 (СССР) Устройство для регистрации отрывов токоприемника / Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта; авт. изобрет. Семенов Ю.Г., Фигурнов Е.П. Опубл. в Б.И., 1981, №18, с.82.

26. А.с. 1050927 (СССР) Устройство для регистрации искрения токоприемника / Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта; авт. изобрет. Семенов Ю.Г., Фигурнов Е.П. Опубл. в Б.И., 1983, №40, с.65.

27. Диагностика токоприемника в эксплуатации по величина отжатая контактного провода. Железные дороги мира, 2004, №1. H.Moller et al. Elektrische Bahnen, 2002, №6, s. 198-203.

28. Муханов В.В. Контроль качества токосъема на контактной сети с помощью измерителя помех ИП12-2М. В кн.: Вопросы надежности и повышения эффективности эксплуатации и ремонта подвижного состава. Труды РИИЖТ. Вып. 105. Ростов-на-Дону, 1974, с.127-130.

29. Муханов В.В. Регистрация отрывов токоприемника. В кн.: Электроснабжение и автоматика электрифицированных железных дорог. Труды РИИЖТ. Вып. 85. Ростов-на-Дону, 1972, с. 103-104.

30. Фигурнов Е.П., Муханов В.В. Контроль качества токосъема на контактной сети. В кн.: Электроснабжение и автоматика электрифицированных железных дорог. Труды РИИЖТ. Вып. 109. Ростов-на-Дону, 1975, с.91-94.

31. Герасимов В.П., Пешин A.B., Федоришин Ю.М., Бодарев Н.А. Вагон-лаборатория нового поколения для испытаний контактной сети. Железные дороги мира, 2003, №12, с.22-28.

32. НШ, R.J., Brillante, S., Leonard, P.J. Electromagnetic field modelling for transmission line distributed parameters of railway track. IEE Proceedings-Electric Power Applications, vol.146, issue 1, Jan. 1999, pp.53-59.

33. Lucca G. Papers presented at International Zurich Symposiums on Electromagnetic Compatibility (13th, February, 16-18 1999; 14th, February, 20-22 2001; 15th, February, 18-20 2003), Zurich, Switzerland.

34. Gunatilake A., Rowland S.M., Wang Z.D., Allen N.L. Modeling and Management of Microshocks under High Voltage Transmission Lines. 51ST IEEE HOLM Conference On Electrical Contacts, 26-28 Sept., 2005.

35. Бадер M. П. Электромагнитная совместимость: Учебник для вузов железнодорожного транспорта / УМК МПС, 2002. 638 с.

36. Журавлев Э.Н. Радиопомехи от коронирующих линий электропередачи. М.: Энергия, 1971,200 с. с ил.50.3алесский A.M. Электрическая дуга отключения. M.-JL: Энергия, 1963, 267с.

37. Вуткевич Г.В. Дуговые процессы при коммутации электрических цепей. -М.: Энергия, 1973.-264 с.

38. Елисеев И.Н., Михайлов В.В. Исследование характеристик излучения электрических дуг коротких замыканий. Электромеханика, 1978, №1, с.53-59.

39. Borkowski P., Walczuk Е. Thermal models of short arc between high current contacts. Proceedings of the Forty-Seventh IEEE Holm Conference, Holm Electrical Contacts, 2004.

40. Kharin S.N. Mathematical model of the short arc phenomena at the initial stage.- Proceedings of the Forty-Third IEEE Holm Conference, Holm Electrical Contacts, 1997.

41. Kundert K. Simulation methods for RF integrated circuits // Proc. of ICC AD, 1997.-P. 752-765.

42. Brillante S., Loehning G. Integration of arc and radiated emission models: Validation report. ESCARV Technical Report ES5-034, Version 3,2000-10-20.

43. Amft D., Schufft W. Micro-arcs at make and break processes. Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts and the 22nd International Conference on Electrical Contacts, Holm Electrical Contacts, 2004.

44. Rylander H.G, Gully J.H, Eliezer Z. Limiting design parameters for future high speed, high current density sliding electrical contacts.-Proceedings of the Thirty Fourth Meeting of the IEEE Holm Conference, Holm Electrical Contacts, 1988.

45. Нейман JI.P., Демирчян K.C. Теоретические основы электротехники: В 2 т.- Л.: Энергоиздат, 1981. т. 2 - 416 с.

46. Волков Е.А. Нелинейные характеристики электрических устройств: Методы расчета.- М.: УМК МПС России , 2000. 237 с.

47. Carson J.R. The Statistical Energy-Frequency Spectrum of Random Disturbance, Bell System Technical Journal, vol. 10, p.374-381,1931.

48. CENELEC Draft Standard prEN 50121-2: Railway application Electromagnetic compatibility, Part 2: Emission of the whole railway system to the outside world, Brussels, 1996.

49. Kawamura Т., Kawasaki K. Radio Disturbance Wave due to High-Speed Electric Vehicles, Quarterly Report of RTRI, Vol.33, no.3, August 1992.

50. CISPR/C Document (Secretariat) 65 Annex B: Radioelectric interference generated by Atlantic TGV rail traffic, October 1991.

51. Loehning G. Development of the analytical arc model. ESCARV Technical Report ES5-032, Version 2, 2000-06-06.

52. Loehning G. Requirements for the Arc Model. ESCARV Technical Report ES5-001,1999-05-20.67.0чков В.Ф. MathCad 12 для студентов и инженеров. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 464 е.: ил.

53. Chiesa R., Zani A. Misure di emissione elettromagnetica pantografo filo di contatto, Nota Tecnica SIRTI, n.778,1994.

54. Деревянко B.A., Новиков E.A., Шайдуров B.B. Разработка вычислительных методов для математического моделирования // Вычислительные технологии, том 9.-2004. с. 59-71.

55. Абрамсон Ю.М., Щербакова К.С. Угольный токосъем с контактных проводов электрифицированных железных дорог и статистические характеристики радиопомех. Электротехника, 1965, №6. - с.50-52.

56. Chua L., Kang Sung Mo. Memristive devices and systems. Proc. IEEE, Vol. 64, 1976, p.209.75.3алманзон JI.A. Преобразования Фурье, Уолша, Xaapa и их применение в управлении, связи и др. областях.- М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит., 1989. -490 с.

57. Курбатов П.А., Аринчин С.А. Численный расчет электромагнитных полей. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 168 с.

58. Лбов Г.С. Методы обработки разнотипных экспериментальных данных. -Новосибирск: Наука, 1981.161 с.

59. Haase, Н., Steinmetz, Т., Nitsch, J. New propagation models for electromagnetic waves along uniform and nonuniform cables. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Aug. 2004, vol.46, issue 3, pp.345-352.

60. Nakamichi Y., Tuma D.T. Analysis of electric arcs in AC circuits, IEEE Trans, on PAS-102, No 3, March 1983, p. 586-595.

61. Булатников M.B., Кадомская К.П., Кандаков С.А., Лавров Ю.А. Определение первичных продольных параметров воздушных и подземных линий электропередачи на основе расчета электромагнитного поля. М.: Электричество, №5/2006, с. 17-24.

62. Данилов Л.В. и др. Теория нелинейных электрических цепей // Л.В. Данилов, П.Н. Матханов, Е.С.Филиппов.- Л.: Энергоатомиздат. Ленинград, отделение, 1990.-256 с.

63. Williams, D.F., Holloway, C.L. Transmission-line parameter approximation for digital simulation. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Nov. 2001, vol.43, issue 4, pp.466-470.

64. Банк М.У. Параметры приемно-усилительной аппаратуры и методов их измерения. М: Радио и связь, 1982.-136 с.

65. Борисов Ю.П. Математическое моделирование радиосистем.- М.: Советское радио, 1976. 296с.

66. Борисов Ю.П., Цветное В. В. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств. М.: Радио и связь, 1985.- 176с.

67. Букашкин С.А. Математическое макромоделирование нелинейных динамических электронных схем // Изв. вузов, сер. Радиоэлектроника. 1988, №6. - с.59-64.

68. Радиоприемные устройства. / Под ред. В.И.Сифорова. М.: Советское радио, 1974.-560 с.

69. Радиотехнические цепи и сигналы.: Учеб. пособие для вузов / Д. В. Васильев, М. Р. Витоль, Ю. Н. Горшенков и др.: Под ред. К.А. Самойлова. -М.: Радио и связь, 1982 528 с.

70. Быков В.В. Функциональное моделирование в статистической радиотехнике. М.: Советское радио, 1971.

71. Бадалов А.Л., Михайлов А.С. Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС: Справочник. М.: Радио и связь, 1990.- 272 с.

72. Волков Е.А., Володин А.В. Моделирование нелинейных систем во временной области // Радиотехника. 1997.- №5. - с.6-8.

73. Kuhlmann-Wilsdorf, D. Uses of theory in the design of sliding electrical contacts. Proceedings of the Thirty-Seventh ШЕЕ Holm Conference on Electrical Contacts, 1991., 6-9 Oct 1991, pp. 1-24.

74. Гаврилов JI. П. Нелинейные цепи в программах схемотехнического моделирования.- М.: СОЛОН-Р, 2002,- 367 с.

75. Горяинов В.Т., Журавлев А.Г., Тихонов В.И. Статистическая радиотехника: Примеры и задачи. М.: Советское радио, 1980. - 544 с.

76. Жарков Ю.И., Колосов Д.В. Моделирование дуговых процессов при нарушениях токосъема. Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005», май 2005 г.в 2-х частях. Часть 2. Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2005. С.335-337.

77. Колосов Д.В. Имитационное моделирование дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях переменного тока. Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007», ч. 2., Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2007. С.229-230.

78. Колосов Д.В. Разработка математических моделей электродуговых процессов в задачах автоматизации мониторинга токосъема в электротяговых сетях железных дорог. Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2007. - №2. - С.81-85.

79. Косарев А. Б. Основы теории электромагнитной совместимости систем тягового электроснабжения переменного тока. М.: Интекст, 2004.272 с.

80. Косарев А.Б., Наумов А.А., Закиев Е.Э. Опасное влияние системы тягового электроснабжения переменного тока на кабельные линии СЦБ и связи. Вестник ВНИИЖТ, 2004, №1.

81. McBride, J., Sharkh, S. Electrical contact phenomena during impact. Proceedings of the Thirty-Seventh IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 1991., 6-9 Oct. 1991, pp.132-140.

82. Чуа JI.О., Лин Пен-Мин, Машинный анализ электронных схем. Алгоритмы и вычислительные методы. Пер. с анг. / Под ред. В.Н. Ильчена. -МЗнергия 1980.- 640 с.

83. Davies T.S., Nouri H., Osman Z.M. Analysis of DC and AC arcs at break with spectrum analyzer. Proceedings of the Forty-Third IEEE Holm Conference, Holm Electrical Contacts, 1997.

84. Ebara Y., Koizumi Т., Sone H., Nemoto Y. A measurement on electromagnetic noise and change of surface in arcing electric contacts. Proceedings of the Forty-Fifth IEEE Holm Conference, 2004.

85. Fabrizi D. La resistenza elettrica e l'area di contatto, L'Elettrotecnica, vol. 63, No.2, pp.131-142, Feb. 1976.

86. Haessler H.W., Linde, M.A. New measurement technique for the investigation of arcing processes of sliding contacts. Proceedings of the Thirty-Seventh IEEE Holm Conference, Holm Electrical Contacts, 1991.

87. Maynard J.M. Statistical considerations in the estimation of electrical contact reliability Proceedings of the Thirty Fourth Meeting of the IEEE Holm Conference, Holm Electrical Contacts, 1988.

88. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: «Солон-Р», 2001.-726 с.

89. Фигурнов Е.П., Бодров П.А. Моделирование BJI 6-10 кВ автоблокировки при замыкании на землю. Сборник статей 5-й Международной на-учно-технич. конференции. Новочеркасск, 2002 с.67-69.

90. Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от ЛЭП и высоковольтного оборудования. Методические указания. РД 50-723-93 (СИСПР 18-1).

91. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1989. 135 с.

92. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем / Владимиров В.И., Докторов А.П., Елизаров Ф.В, и др.: Под ред. Царькова Н.М. М.: Радио и связь, 1985. 272 с.

93. Фалькович С.В. Прием радиолокационных сигналов на фоне флук-туационных помех. М.: Советское радио, 1971. - 416 с.