автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Развитие информационной системы, теории и методов дистанционной диагностики контактной сети по параметрам электромагнитных радио- и оптических излучений дугового токосъема

На правах рукописи

Семенов Юрий Георгиевич

РАЗВИТИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ, ТЕОРИИ И МЕТОДОВ

ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПО ПАРАМЕТРАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАДИО- И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ДУГОВОГО ТОКОСЪЕМА

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

31 ОКТ 2013

Ростов-на-Дону 2013

005536595

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС)

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Жарков Юрий Иванович

Официальные оппоненты: Бадер Михаил Петрович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение • электрических железных дорог» ФГБОУ ВПО МГУПС(МИИТ)

Сидоров Олег Алексеевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ФГБОУ ВПО ОмГУПС (ОмИИТ)

Колпахчьян Павел Григорьевич доктор технических наук, заведующий кафедрой «Электрические машины и аппараты» ФГБОУ ВПО РГУПС

Ведущая организация — Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГУПС.

Автореферат разослан 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.010.01 д. т. н., профессор

В.А. Соломин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Контактная сеть (КС) является важнейшей частью системы электроснабжения железных дорог, должна обладать высокой надежностью. Из всех элементов системы электроснабжения КС находится в самых тяжелых условиях эксплуатации и подвержена постоянному воздействию токоприемников, неблагоприятному воздействию различных метеорологических факторов, в том числе гололеда. При всех воздействиях КС должна обеспечивать бесперебойный и качественный токосъем в самых сложных условиях эксплуатации. Проблема обеспечения надежного токосъема приобретает все большее значение, т.к. в настоящее время состояние КС определяется стадией старения на большей части своей протяженности. По данным Управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО «РЖД» удельная повреждаемость КС на участках со сроком службы более 40 лет превышает среднесетевой уровень и ухудшает надежность работы системы тягового электроснабжения в целом. Это происходит на фоне ежегодного увеличения протяженности КС со сроком службы более 40 лет на 1500...1800 км. В процессе эксплуатации на КС, в том числе из-за старения элементов, их интенсивного и неравномерного износа, изменения различных параметров, возникают сосредоточенные дефекты, нарушающие токосъем. Особенно опасными являются устойчивые дефекты, вызывающие дуговой токосъем при каждом проходе дефекта токоприемником электроподвижного состава (ЭПС). Дуговые нарушения вызывают значительный износ и термическое разупрочнение контактирующих элементов с последующим интенсивным его развитием и возникновению повреждений КС и возможным авариям. По данным за 2012 год доля пережогов проводов в общем количестве повреждений КС составляет 17%. Доля пережогов проводов над токоприемниками также не снижается и составляет 50...65% (данные 2011 г.). В отказах проводов и тросов наиболее повреждаемые -.контактные провода (45,4% в отказах проводов и тросов). Дефекты, порождающие дуговой токосъем, являются скрытыми, т.к. КС -объект значительной протяженности, диагностика ее крайне затруднена, автоматизированное обнаружение таких дефектов отсутствует, визуальный поиск неэффективен. Также КС подвержена опасным внешним воздействиям в виде гололедных отложений и от токоприемников ЭПС, имеющих определенные отклонения от норм или получивших определенный дефект уже в процессе работы на линии. Такие воздействия также могут сопровождаться дуговыми процессами при токосъеме, что крайне отри-

цателыю сказывается на состоянии КС, на ее безаварийной работе и безопасности движения. Такие воздействия опасны и приводят к пережогам КС и порождают новые скрытые дефекта, интенсивно развивая уже имеющиеся опасные дефекты. В процессе текущей эксплуатации такие скрытые воздействия требуется обнаруживать на ранней стадии их появления с целью принятия соответствующих мер по их устранению и предупреждающих отказ, появление возможных аварий, что позволит повысить надежность КС и безопасность движения.

Решение проблемы обеспечения высокой надежности КС и качественного токосъема проводится в направлении совершенствования и разработки методов расчета, создание новых более совершенных конструкций КС, токоприемников и их взаимодействия. Значительный вклад в разработку теории, методов расчета, в решение проблем обеспечения качественного токосъема, построения систем и средств контроля основных параметров КС внесли и вносят ученые и инженеры практически всех железнодорожных вузов России, ОАО «НИИЖТ», ведущих проектных институтов и конструкторских бюро, инженеры, занятые эксплуатацией КС и ЭПС, а также ученые и практики зарубежных научных школ.

Определение текущего состояния КС и совершенствование системы ее технического обслуживания по текущему состоянию должно опираться на диагностику. Вместе с тем в эксплуатации автоматизированный контроль текущего состояния КС в настоящее время проводится только при плановых объездах участков вагоном-лабораторией (ВИКС) с периодичностью два объезда участка в квартал. Существующая система контроля текущего состояния КС и нарушений токосъема с использованием ВИКС не имеет пока надежных аппаратных средств регистрации, способных обнаружить многие дефекты КС, сопровождающиеся дуговым токосъемом. Поэтому отсутствуют четкие методологические рекомендации для работников районов по устранению сосредоточенных дефектов с устойчивыми дуговыми нарушениями токосъема. Таюм система определения текущего состояния КС только из ВИКС имеет ограниченные возможности. Диагностика из ВИКС не предназначена для обнаружения состояний КС с дуговым токосъемом, возникающим в режиме образования гололеда или для обнаружения токоприемников с имеющимися дефектами. Системы, способные своевременно распознавать начальную стадию оседания гололеда на КС или обнаруживать на линии неисправные токоприемники с дефектами, порождающими дуговой токосъем, в настоящее время отсутствуют. Здесь требуется развитие существующей системы не только в направлении создания автоматизированных систем для

ВИКС, распознающих скрытые дефекты КС, но и в новом направлении создания стационарных территориально рассредоточенных систем распознавания режимов ее работы при неблагоприятных внешних воздействиях. Такая задача ставится впервые у нас в стране и в мире.

Дуговые воздействия на КС являются крайне нежелательным и вредным фактором. Но вместе с тем они несут в себе информацию о возникновении и причинах появления дуговых нарушений. Поэтому дуговой токосъем можно использовать как основной признак для распознавания обнаружения гололедных образований на ранней стадии появления, токоприемников с дефектами и устойчивых дефектов КС. Очевидно, что создание предлагаемых систем требует использования дистанционных (бесконтактных) методов регистрации дуги по электромагнитным радио- и оптическим излучениям. Разработки в данном направлении как у нас в стране, так зарубе-жом носят единичный, фрагментарный и несистемный характер. Такая задача требует исследования предлагаемых диагностических признаков дугового токосъема, прежде всего, с целью определения их достоверности. В такой постановке вопроса данная задача также ставится впервые.

Особенно важно для эксплуатации иметь не только мобильные (для ВИКС) системы и достаточно достоверные средства регистрации дефектных мест с дуговыми нарушениями токосъема, но и конкретные методологические рекомендации по обнаружению дефектов на КС с учетом случайности проявления регистрируемых признаков, а также по использованию полученных результатов для определения степени опасности и очередности устранения устойчивых дефектов. В широком смысле не менее важным вопросом является разработка стационарных систем обнаружения начальной стадии гололедных образований и неисправных токоприемников, разработка методологических и алгоритмических основ достоверного распознавания системой таких воздействий на КС.

Таким образом, возникает науяная проблема диссертационного исследования, которая состоит в развитии существующей информационной системы диагностики состояния КС за счет интегрированных в нее новых автоматизированных систем для обнаружения опасных внешних воздействий и скрытых дефектов, в развитии теории и практики создания таких систем на основе исследования бесконтактных методов регистрации, вероятностных моделей оптимальной регистрации диагностических признаков с учетом случайности их параметров и на фоне, создания алгоритмических и методологических основ обнаружения. Решение проблемы позволит более

полно определять текущее состояние КС путем своевременного обнаружения опасных дефектов и внешних воздействий по наличию дугового токосъема, оперативное устранение которых в эксплуатации позволит предотвратить возможные отказы и обеспечит значительный вклад в надежную работу КС в рамках всей отрасли.

Актуальность указанной проблемы подтверждается ее соответствием «Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года», а также положениям Технического регламента о безопасности инфраструктуры железнодорожного транспорта (Постановление Правительства РФ 15 июля 2010г. №525) и положениями Технического регламента о безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта (утвержден Постановлением Правительства РФ 15 июля 2010г. №533), где предусматривается создание комплексной системы содержания инфраструктуры ОАО «РЖД». В рамках указанных документов рассматривается постановка вопроса, который входит в направление «Совершенствование управления обеспечением безопасности движения и профилактики аварийности в устройствах электроснабжения» и в частности в приоритетные задачи в области развития систем тягового электроснабжения.

Цель диссертационной работы - повышение надежности электроснабжения и безопасности движения поездов на основе развития информационной системы, теории и методов дистанционной диагностики контактной сети путем создания автоматизированных систем раннего обнаружения скрытых дефектов контактной сети, токоприемников и гололедных воздействий по параметрам электромагнитных радио- и оптических излучений дугового токосъема.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- провести систематизацию типов дефектов КС и токоприемников по признаку повторяемости возникновения дуговых нарушений в местах дефектов;

- дать обоснование достоверности выбранных диагностических признаков, сопровождающих режимы дуговых нарушений токосъема;

- исследовать составы входных сигналов на наличие полезных сигналов и помех, определить их особенности и статистические оценки их параметров в реальных условиях появления дуговых нарушений токосъема;

- разработать основные принципы построения и необходимую структуру автоматизированных систем по определению состояния КС на наличие дуговых нарушений

токосъема путем бесконтактной регистрации электромагнитных радио- и оптических излучений;

- разработать теоретическую основу для оптимального выделения системами случайных диагностических признаков от дуговых нарушений токосъема на фоне разнообразных случайных помех, исследовать регистрирующую и обнаруживающую способности предложенных методов и систем регистрации;

- создать алгоритмические и методологические основы обнаружения опасных дефектов КС, дефектных токоприемников и гололедных режимов автоматизированными системами;

- провести анализ возможностей использования и технической реализации бесконтактных систем, основанных на регистрации электромагнитных излучений от дуговых нарушений токосъема в обоснованном диапазоне частот для различных видов тяги;

- разработать технические средства для автоматизированных систем, в виде спроектированных и внедренных в эксплуатацию опытных образцов.

Предметом исследования являются причины и факторы появления режимов дуговых нарушений токосъема на КС; электромагнитные излучения как диагностические признаки, сопровождающие дуговые нарушения токосъема; методы бесконтактной регистрации; принципы построения оптимальных структур систем регистрации, вероятностные модели распознавания диагностических признаков на фоне разнообразных помех, регистрирующая и обнаруживающая способность систем регистрации; аппаратные средства диагностирования.

Научная новизна работы. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых даны новые технические и технологические решения, которые позволяют повысить надежность КС. Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена концепция развития информационной системы дистанционной диагностики КС на основе создания и интеграции в нее мобильных и стационарных систем для раннего обнаружения скрытых дефектов КС, токоприемников и гололедных образований по электромагнитным радио- и оптическим излучениям дугового токосъема.

2. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность и эффективность использования выбранных диагностических признаков для решения поставленной цели.

3. Разработаны принципы построения систем для регистрации дуговых нарушений токосъема.

4. Впервые получены результаты статистических исследований оптических сигналов и радиосигналов в различных режимах дуговых нарушений токосъема и посторонних помех в реальных условиях токосъема.

5. Разработана теоретическая база для решения задач для оптимальной регистрации фактов дуговых нарушений токосъема на основе вероятаостных моделей оптимальной фильтрации, принятия решений, регистрирующей и обнаруживающей способности систем регистрации.

6. Созданы методологические основы (стратегия) обнаружения устойчивых дефектов КС мобильными оптико-электронными системами с возможностью принятия решения о наличии устойчивого дефекта по результатам текущего объезда участка ВИКС;

7. Разработаны алгоритмические основы распознавания скрытых дефектов КС, неисправных токоприемников и начальной стадии гололедных образований стационарными радиосистемами.

8. Выявлены области применяемости и возможностей технической реализации бесконтактных методов для решения задачи по созданию систем регистрации дуговых нарушений токосъема.

9. Научная новизна теоретических положений (способов) подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретения и патентом на способ.

Методы исследований. Методологической основой при теоретических и экспериментальных исследованиях является анализ и вероятностный подход к решению проблемы регистрации, обнаружения и распознавания опасных внешних воздействий и скрытых дефектов КС по электромагнитным радио- и оптическим излучениям дугового токосъема.

Теоретическая часть диссертации базируется: на вероятностных моделях оптимального выделения полезных радиосигналов и оптических сигналов от дуговых нарушений токосъема из смеси с различными помехами; на вероятностных моделях обнаружения и распознавания устойчивых дефектов контактной сети, токоприемников и гололедных режимов, составляющих основу методологических и алгоритмических основ их обнаружения. Модели учитывают вероятностный характер уровней регистрируемых параметров и случайность их появления.

Экспериментальная часть основана на статистических исследованиях параметров диагностических признаков регистрации. Экспериментальные исследования проводились на натурных объектах в условиях реального токосъема.

Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на основных положениях статистической радиотехники, основах теории и расчета оптико-электронных приборов, на теории спектрального анализа случайных сигналов и процессов, теории оптимального обнаружения сигналов, теории синтеза электрических цепей, теории принятия решений, теории вероятностей и математической статистики. Достоверность подтверждается результатами натурными испытаниями разработанных образцов радио- и оптических систем регистрации, а также апробацией работы в печати, на международных конференциях и всероссийских конференциях.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанного концептуального подхода к развитию системы текущего состояния контактной сети, на базе проведенных экспериментальных и теоретических исследований созданы системы ранней регистрации опасных режимов дугового токосъема и методологические основы их применения, использование которых позволяет увеличить надёжность электроснабжения и безопасность движения поездов. Системы, разработанные автором, прошли стадию проектирования. Опытные образцы внедрены в эксплуатацию. Планируется использование разработанных автором систем как часть общей системы диагностики инфраструктуры ОАО «РЖД».

Реализация результатов работы. На основании исследований разработаны и внедрены в опытную эксплуатацию:

- оптико-электронная система регистрации дуговых нарушений токосъема для ВИКС ДКИ-2 (ВИКС СКЖД, ЮВЖД, Приволжская ЖД, и др.);

- радиоэлектронная стационарная система регистрации гололедных режимов токосъема и токоприемников УОГ-2005 (СКЖД) - 2005 г.

- выпущен проект стационарной локальной радиосистемы (УОГ-2005) Проектно-конструкторским бюро по электрификации железных дорог - филиалом ОАО «РЖД» №К767.

Работа выполнена в Ростовском государственном университете путей сообщения. Отдельные этапы работы выполнялись в соответствии с приказами МПС, а также в рамках Программы фундаментальных исследований РГУПС на 2001 - 2005 г.г. Разработка образцов автоматизированной радиосистемы для диагностики токосъема

проводилась в соответствии с планами НИОКР ОАО «РЖД» на 2002-04 г.г. (номер задания 11.1.28), а также в соответствии с планом НИОКР Северо-Кавказской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» на 2005 г. (Распоряжение ОАО «РЖД» №1414р от 09.09.05 г.).

Основные результаты работы доложены на техническом совете Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», 2003г. (г. Москва); на техническом совете филиала ОАО «РЖД» Северо-Кавказской железной дороги, 2005г. (г. Ростов-на-Дону); на заседании Учебно-методического Совета Федерального агентства железнодорожного транспорта по специальности 190401 - «Электроснабжение железных дорог» с участием заведующих выпускающих кафедр транспортных вузов по данной специальности (г. Омск, 24-27 мая 2011г.); на научно-техническом совете Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», 2011г. (г. Москва); на расширенном заседании кафедры «Автоматизированные системы электроснабжения» Ростовского государственного университета путей сообщения, 2013 г. (г. Ростов-на-Дону); на трех международных симпозиумах; на восьми международных научно-практических конференциях; на семи всероссийских научно-практических конференциях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 печатных работ, (в том числе одна монография, 37 статей, из них 12 - в изданиях, определенных ВАК Министерства образования и науки РФ). Получен один патент РФ на способ. Указанные работы опубликованы автором после защиты кандидатской диссертации в 1987 г. В материалах настоящей работы использованы также необходимые важные принципы, остающиеся актуальными и определяемые тремя авторскими свидетельствами на изобретения, полученными автором до 1987г.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 126 источников и 6 приложений. Общий объем диссертации составляет 285 стр.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, ее научное и практическое значение, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе диссертации рассматривается современное состояние системы контроля текущего состояния КС и токосъема. Существующая система контроля то-

косъема предусмотрена нормативными документами, устанавливающими правила технической эксплуатации КС. Правилами предусмотрен ряд контролируемых параметров КС, определяющих качество токосъема. Существуют также общепринятые показатели качества токосъема, опирающиеся в основном на измерение динамики контактного нажатия токоприемника на контактный провод и регистрацию ударов, подбоев и отрывов токоприемника. Для регистрации используются контактные системы регистрации. Детальное рассмотрение такой системы оценки токосъема показывает, что она в малой степени отвечает современным требованиям эксплуатации. Современная система контроля токосъема предусматривает оценку состояния токосъема на КС при плановых объездах участков только с использованием ВИКС. Автоматизированный диагностический комплекс ВИКС производит съем информации с собственного измерительного токоприемника, и получаемая информация носит условный характер и не позволяет выявить не только некоторые виды дефектов, но и определить их степень опасности и наметить порядок устранения. Отсутствуют также рекомендации персоналу по конкретным действиям по устранению причин нарушений. Ряд опасных сосредоточенных и устойчивых скрытых дефектов КС, нарушающих токосъем, такой системой не регистрируются. Если речь вести об обнаружении сосредоточенных скрытых дефектов КС, нарушающих токосъем, то для этого следует проводить регистрацию дуговых нарушений скользящего контакта на рабочем токоприемнике локомотива, нагруженного током. Регистрация мест нарушений токосъема с дугообразованием даст более объективную оценку и позволит осуществить регистрацию мест с дефектами. Кроме того, при прохождении исправными токоприемниками в районе станций таких локальных узлов КС как секционные изоляторы, воздушные стрелки, сопряжения при их неправильной регулировке возникают дуговые нарушения токосъема, которые могут привести к серьезным повреждениям, особенно при больших скоростях движения по промежуточным станциям.

Регистрация опасных внешних воздействий и скрытых дефектов КС, позволяющая обнаруживать начальную стадию гололедных образований, и токоприемники, работающие на линии и не отвечающие нормам или имеющим дефекты, современной системой не предусматривается. Вместе с тем, раннее обнаружение таких воздействий чрезвычайно важно для эксплуатации с целью принять своевременные меры и не допустить развитие, предотвратить аварии.

Процесс образования дуги в месте нарушения имеет элемент случайности, и это следует учитывать при обнаружении таких мест системами регистрации. В главе

приводится анализ сосредоточенных дефектов КС и токоприемников, при которых может возникать дугообразование и разбивка их на группы устойчивых и неустойчивых дефектов. К перечню добавлена группа случайных дугообразований, не связанных с дефектами КС или токоприемников. В главе показано, что устойчивость дефекта и степень его опасности будут зависеть от повторяемости возникновения дуги при проходе токоприемником места с дефектом. Такая разбивка на группы позволяет определить вероятность обнаружения устойчивого дефекта системой регистрации.

Предлагается автоматизированная система обнаружения скрытых дефектов КС и опасных внешних воздействий на КС, которая будет являться важной частью, интегрированной в общую структуру системы диагностики токосъема на КС. Организационная структура предлагаемой системы показана на рис. 1.

Дирекция тягн (ДГ)

Локомотивные депо, оборотные пункты, парка отстоя локомотивов

ж

Токоприемник ЭПС

Информация о дуговых нарушениях, токосъем*

Вошохям янфорнацповяо-упр являющее вспдействие

Ивформацпж «ТОКОПРИЕМНИК»

Информация «ДЕФЕКТ»

пшшф>

Информация «ГОЛОЛЕД»

Технологическое воздействие

Центральный диспетчерский пункт (ЦДП)

Служба электрификации и электроснабжения (Э)

Дистанция электроснабжения (ЭЧ)

ДЭЛ

Район контактной сети (РКС)

Энергодяснетчерскнй пункт (ЭЧЦ)

вике

(система оптической регистрации)

I

1

Территориально-распределенная система раднорегнетрацнн _

Участок контактной сет с контролем дугового токосъема

Рис.1. Организационная структура системы контроля скрытых дефектов и опасных внешних воздействий

Структура предусматривает два направления диагностирования состояния КС на наличие дуговых воздействий. Первое направление - обнаружение начальной стадии гололедных образований и дефектных токоприемников, осуществляемое стационарными территориально-распределенными системами, устанавливаемыми в локальных местах фидерных зон, подверженных, прежде всего, раннему образованию гололеда, а также в районе станций. Второе направление - это обнаружение устойчивых

дефектов КС из ВИКС с помощью бесконтактных мобильных систем оптической регистрации дуговых нарушений.

Регистрация мест с дугообразованием требует использования бесконтактных методов регистрации. Проведенный анализ различных отечественных и зарубежных способов регистрации мест нарушений скользящего контакта, применяемых в ВИКС, показал, что для регистрации нарушений контакта используются контактные методы. Бесконтактные методы практически остаются неразработанными. Работы, посвященные исследованию систем бесконтактной диагностики и самих диагностических признаков дуговых нарушений токосъема, отсутствуют.

Реализация первого направления предлагается в виде стационарной распределенной системы для обнаружения опасных внешних воздействий, показанной на рис.2.

Рис.2. Укрупненная техническая структура стационарной территориально-распределенной системы регистрации начальной стадии гололедных образований и неисправных токоприемников

Представленная структура предусматривает регистрацию режимов дугового токосъема на локальных участках КС, подверженных, прежде всего раннему образованию гололеда. С целью возможности контроля участка КС достаточной протяженности наиболее приемлемым методом регистрации следует считать радиометод, поскольку использование оптического метода для контроля достаточно протяженного участка по многим техническим причинам затруднено. В предлагаемой системе излучаемые от дуговых нарушений токосъема радиосигналы воспринимаются антенной,

проходят первичную обработку специальным радиоприемным устройством РНУ. Распознавание режимов дуговых нарушений осуществляет микроконтроллер МК по заданным алгоритмам. Для передачи сигналов в ЭЧЦ о выявленном режиме дугового токосъема могут быть использованы два канала: прямой канал через систему телемеханики или (и) через персональный компьютер ПК станции и через производственную сеть INTRANET. Преимуществом радиосистемы является то, что контроль дуговых нарушений может осуществляться не только бесконтактно, но и на достаточном удалении от источника радиоизлучения, что позволяет упростить выбор места установки локальных радиосистем.

Для реализации второй части предлагаемой системы, решающей задачи поиска сосредоточенных скрытых дефектов на протяженных участках КС, следует использовать мобильные системы оптической регистрации дуговых нарушений токосъема для ВИКС. Наиболее приемлемым информативным признаком для таких систем представляется оптическое излучение дуговых нарушений токосъема.

В главе сформулированы требования к автоматизированным системам, которым они должны соответствовать в техническом, функциональном и информационном плане. Указывается, что диагностические признаки дугового токосъема будут носить случайный характер и наблюдаться на фоне случайных помех. Поэтому в качестве основных требований к системам являются обеспечение, прежде всего, необходимой информативности признаков и достоверности регистрации режимов при достаточной помехоустойчивости систем. В главе формулируются основные необходимые этапы исследований.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований электромагнитных радио- и оптических сигналов дуговых нарушений в реальных условиях токосъема. Определяются частотные диапазоны электромагнитных сигналов, обеспечивающие наибольшую помехоустойчивость на входе рецепторов систем. Исследуется достоверность выбранных диагностических признаков, поиск их отличительных особенностей, анализируется состав смеси полезных информационных сигналов и помех, разрабатывается необходимые структуры систем регистрации, приводятся статистические характеристики сигналов и помех, необходимые для реализации структуры систем и оценки ее конкретных параметров.

В главе приводятся результаты экспериментальных исследований радиоизлучений в реальных условиях токосъема с помощью измерителей радиопомех при дви-

жении ВИКС совместно с пассажирским составом. На рис.3 показан фрагмент записи огибающей радиоизлучения входной смеси сигналов, снятой с линейного выхода амплитудного детектора измерителя радиопомех.

б

в ^^

а о-- А, Ь*^

Рис.3. Состав входного радиосигнала: а) «гладкий» фон; б) дуговой отрыв; в) контактная помеха

Исследованиями радиоизлучений в диапазоне частот от 0,15 до 200МГц установлено и получено следующее.

Радиосигналы одиночных дуговых нарушений представляют собой импульсный процесс со случайной амплитудой, распределенной по нормально-логарифмическому закону, и имеют форму, близкую экспоненциальной, и образуют плотные пакеты со случайным набором импульсов, случайными длительностями и паузами (рис.4).

120

Уровень, мВ

| |

1! ремн, с

Радиосигналы дуговых нарушений (далее - полезный сигнал) наблюдаются на фоне мешающих помех «гладкого» фона, контактных импульсных помех, а также коммутационных импульсных помех от переключений оборудования ЭПС.

«Гладкий» фон можно представить непрерывным случайным процессом, близким к нормальному распределению амплитуды с ненулевым средним.

Коммутационные помехи состоят из одиночных или сдвоенных импульсов и образуют короткие серии, появляющиеся в моменты разгона и торможения ЭПС с редким чередованием импульсов и нормально-логарифмическим распределением максимумов амплитуд.

468,630

468.635

Рис.4. Пакетная организация радиосигнала от дугового нарушения

Контактные помехи представляют собой импульсный случайный процесс со случайной амплитудой и периодом следования импульсов с интенсивностью потока, убывающей экспоненциально с увеличением амплитуды.

Получено панорамное по частотам распределение пиковых уровней полезных сигналов и коммутационных помех и параметры их распределений для участков неременного тока в диапазоне радиоволн 0,15...200МГц. В результате определена область от 10 до 20 МГц, где наблюдается максимальное отношение «полезный сигнал -коммутационная помеха» на входе радиоустройства, определяющая рабочий диапазон работы радиосистемы.

Получены статистические распределения количественного состава импульсов в пакетах радиосигналов и импульсных радиопомех, их длительностей, пауз между импульсами, что позволяет использовать пакетную организацию полезных сигналов как дополнительный признак для различения их от импульсных коммутационных и контактных помех.

Получены оценка энергетического спектра случайных полезных сигналов и спектральная плотность мощности помехи «гладкого» фона и их аппроксимирующие выражения, используемые в дальнейшем для синтеза оптимальных фильтрующих устройств.

Проведенный анализ позволил установить отличительный признак дугового нарушения - пакетную организацию импульсных радиосигналов.

Рис.5. Вероятность появления количества т импульсов в пакетах полезного сигнала

Пакеты импульсов от дуговых нарушений токосъема возникают за счет резких изменений тока дуги в моменты ее неустойчивого горения, чаще всего в момент ее повторного возникновения после перехода тока через нуль в результате электрических пробоев промежутка в нарушенном контакте.

3000

Т, К 2000 1500 1000 500

Оценка достоверности признака проводилась с использованием метода «источников» путем моделирования температурных условий, способствующих появлению импульсных пакетов: температурой точки контакта с основанием движущейся дуги и температурой остаточного ствола дуги в момент перехода тока через ноль в диапазоне токов от 50 до 400А и различных скоростей движения. Условия появления повторных пробоев оценивались по области токов и скоростей движения, в которых температура контакта не превысит температуру термоэлектронной эмиссии (~750°С), и температура остаточного ствола будет не более температуры диссоциации молекул газовой смеси воздуха (-ЗОООК).

Г Вэ

ЮРА Г

0 1 2 3 4 5 6 7 у-ю',сн/о 10

Рис.6. Зависимость температуры точки на поверхности провода у основания дуги в момент первого перехода тока через нуль

I I I I I I I I I I I | | Г,°К-|— V = 0 см/с, / = 0,01 с, л-= 0,1 см -

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 в 6,5 7 7,5 в 8,5 С..,мс10

Зависимость температуры контакта с основанием движущейся дуги и температура на оси ствола дуги задается интегральными уравнениями, численное решение которых приводит к следующим результатам. Установлено, что в положительный полупериод тока при смене полярности «провод - анод» - «провод - катод»

Рис.7. Зависимость температуры точки на поверхности угольной накладки у основания дуги в момент первого перехода тока через нуль при случайном попадании фазы нулевого перехода тока в длительность отрыва, во

всех случаях дуговые нарушения будут сопровождаться импульсными пробоями промежутка для максимальных токов и скоростей движения более 10м/с (см. рис.6). На угольной накладке токоприемника дуга в оба полупериода остается неподвижной и скользит по проводу. В отрицательный полупериод тока при смене полярности «накладка - анод» - «накладка - катод» при случайном попадании фазы нулевого пере-

хода тока в длительность отрыва, случаи повторных электрических пробоев будут возникать только при условии, что область токов составляет менее 50А (см. рис.7). Для больших токов необходимо три условия: если зажигание дуги произошло в отрицательный полупериод тока (повод - катод, уголь - анод), начало зажигания пришлось на время более чем за 3,5мс до окончания полупериода и время горения дуги до перехода тока через ноль не превысило длительность полупериода в Юме. Установлено также, что температура вблизи оси остаточного ствола дуги при первом переходе тока через нуль для скоростей более 8 м/с не превышает температуру диссоциации газов в составе воздуха и ее можно считать непроводящей.

В отсутствии априорных данных о распределении величины потребляемого тока, случайности длительности дуговых отрывов, случайности фазы попадания нулевого перехода тока появление радиоизлучений как диагностического признака одиночных дуговых нарушений можно оценить только вероятностью. Указанная оценка получена ниже на основе отдельной вероятностной модели (глава 3) при обосновании регистрирующей способности радиосистемы.

Проведено экспериментальное исследование радиоизлучений, возникающих от

дугового токосъема, в реальных условиях начала образования гололеда на участке переменного тока. Выявлены и статистически подтверждены отличительные особенности радиосигналов от дугового токосъема в режиме гололеда, состоящие в выборе минимального числа импульсных сигналов, регистрируемых в одном полупериоде тока, и в общей длительности всего процесса. Проведенный статистический анализ и полученные гистограммы распределений амплитуд и фаз чередования импульсных радиосигналов свидетельствует, что при гололедном режиме импульсные выбросы большого уровня (импульс 2 на рис.8) образуются пробоями промежутка в начале полупериода тока, а выбросы меньшего уровня (импульс 1 на рис.8) - срезами тока перед подходом тягового тока к нулевому значению. Результаты статистической обработки позволяют считать справедливым предположение о причинах появления импульсных помех значительного уровня как минимум два раза за один полупериод тягового тока.

Рис.8. Фрагмент огибающей импульсного радиоизлучения дугового токосъема при гололеде

Такой процесс будет длительным, и его время будет определяться временем прохождения ЭПС гололедного участка. Эти факторы позволяют отличить режим дугового токосъема при гололеде от других похожих режимов.

Для систем оптической регистрации необходим правильный выбор области спектральной чувствительности фотоприемника, обеспечивающего наибольшее отношение «сигнал - фон» на своем выходе. Такой фотоприемник должен быть наилучшим образом согласован со спектром излучаемого сигнала, и иметь наибольшее рассогласование со спектром фона. При определении спектрального диапазона, обеспечивающего наибольшее превышение сигнала над фоном, использовался относительный коэффициент использования излучения, как отношение коэффициентов использования спектра полезного сигнала и использования спектра фона. В качестве спектра сигнала выбиралось два температурных режима дуги. Поскольку спектральная характеристика излучения от дуговых отрывов меняется даже в процессе одного дугового нарушения, то для оценки спектра излучения дуги использовался самый неблагоприятный случай максимальных токов дуги (в расчетах принят ток 1200А). Дуга при таких токах излучает как абсолютно черное тело (АЧТ) с соответствующей току температурой плазмы 7700К. Для условий перегрузочного искрения в контакте «медь - медь» происходит разбрызгивание расплавленных частиц меди с температурой плавления 7М365К, а в контакте «уголь - медь» - расплавленных частиц углерода с температурой плавления 71=3820К. Такие нагретые точки контакта и разбрызгиваемые частицы излучают непрерывный спектр, соответствующий излучению АЧТ с указанной температурой. Для получения расчетных значений относительного коэффициента использования излучения спектр мешающего фона задавался в виде спектра дневного неба (справочные данные). Установлено, что достаточным быстродействием и наибольшим коэффициентом в сравнении с кремниевыми структурами обладают фотоприемные структуры на основе германия, как для режима дуговых нарушений, так и перегрузочного искрения. Такие структуры работают в области спектра с длиной волны 0,2 до 2 мкм. В указанной области спектра проводилась экспериментальные исследование излучений от дуговых отрывов в реальных условиях движения ВИКС с пассажирским составом на участках постоянного и переменного тока. Характерные формы оптических сигналов показаны на рис.9 и рис.10.

Анализ полученного массива данных показал, что фотопотоки представляют собой импульсы случайной амплитуды, длительности и формы, которые не могут быть заданы аналитически. Это обстоятельство требует, учитывая многообразие форм

сигналов, вероятностного подхода и определения усредненного по множеству сигналов их энергетического спектра. При исследованиях получены усредненные энергетические спектры оптических сигналов и помех «гладкого» фона дневного неба, представленного нормальным случайным процессом с ненулевым средним, из аддитивной смеси с которым необходимо выделить полезные сигналы. Установлено также, что распределение длительностей дуговых нарушений подчинено закону Релея. Диапазон длительностей составил от 1 до 50 мс.

Рис 9 Характерные сигналы от одиночных дуговых нарушений токосъема на участках переменного тока (развертки 0,1 В/дел, 5 мс/дел): а) и б) при больших токах тяги; в) при токе собственных нужд; г) при перегрузочном искрении

тшщ

¡шйгаЩ

ШУ1 !1ШЕ

а) б) в) г)

Рис 10 Характерные сигналы от одиночных дуговых нарушений токосъема на участках постоянного тока (развертки 0,1 В/дел, 5 мс/дел): а) и б) при больших токах тяги; в) при токе собственных нужд; г) при перегрузочном искрении

Анализ полученных результатов экспериментального исследования состава и случайных параметров электромагнитных радио и оптических полезных сигналов и сигналов помех требует построения следующих структур систем регистрации (рис.11 и рис.12), на которых выделены задачи, требующие теоретического обоснования с целью обеспечения достоверности регистрации, оптимальной регистрации и помехоустойчивости.

Рис.11. Структура локальной системы радиорегистрации

Рис.12. Структура мобильной системы оптической регистрации

Обе структуры требуют обоснования и теоретического решения следующих задач, общих для обеих систем:

1) Определение частотного диапазона с максимумом отношения «входной сигнал -помеха» (обоснование'выбора частотных областей произведено выше);

2) Оптимальная фильтрация полезных импульсных сигналов случайной формы из смеси с «гладкими» помехами фона.

3) Оптимизация порогов принятия решений о пропуске на алгоритмический анализ последовательностей импульсных сигналов;

4) Разработка алгоритмов распознавания импульсных полезных сигналов из последовательности с импульсными контактными и коммутационными помехами и определение регистрирующей способности систем.

Третья глава посвящена решению нескольких теоретических задач. Построение систем регистрации дуговых нарушений токосъема требует использования оптимального подхода к построению ее структуры. Начало главы посвящено теоретическим вопросам построения узлов оптимальной фильтрации полезных случайных аналоговых сигналов от дуговых нарушений токосъема из смеси с «гладкими» помехами и построению оптимальных (квазиоптимальных) фильтрующих устройств систем регистрации. Случайность и многообразие форм принимаемых импульсных сигналов от дуговых нарушений не дает возможности построить оптимальный фильтр в классическом его понимании. Для оптимизации в работе предложен критерий максимального отношения средней мощности полезного сигнала к средней мощности «гладкой» помехи на выходе фильтрующего звена с передаточной функцией Щсо):

-Т7-4 (1/2 тс) J (ш )/ Г, 2 (о> у®

-=а-= шах, (О

х-0). (1/27i) J Gп (са)АГ 2 (юуш

-СО

где yf (/) - средний по времени квадрат амплитуды /-го сигнала на выходе звена;

лtg (V) - средний по времени квадрат амплитуды помехи на выходе звена; 5,(oj) - модуль спектральной плотности /-го сигнала; К((в) - модуль передаточной функции искомого фильтра; G„(co) - энергетический спектр мощности помехи; 7} — длительность /-го сигнала.

Максимизация (1) по множеству случайных сигналов приводит к следующему выражению для амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) оптимального фильтра:

К^Щд.Л.Я^) (2)

где G„(ю) - усредненный энергетический спектр мощности по всем импульсным сигналам; А — постоянная величина; Wo((s>) = const — спектральная плотности «белого» шума.

По выражению (2) с учетом полученных выражений аппроксимаций спектральной плотности полезных сигналов и фоновых помех синтезированы АЧХ квазиоптимальных фильтров для систем радиорегистрации в виде ЛС-фильтров первого порядка и активных ЛС-филыров второго порядка - для систем оптической регистрации.

В главе рассматриваются вопросы определения помехоустойчивости, под которой понимается вероятность правильной регистрации импульсных полезных сигналов одиночных дуговых нарушений токосъема, вероятности их пропуска и вероятности появления ложных импульсов от помехи «гладкого» фона.

Таблица 1

Теоретические соотношения к оптимизации порогов регистрации импульсов полез-

ных радио- и оптических сигналов в смеси с гладким фоном

Параметр Формула Номер формулы

Радиометод Вероятность пропуска импульсов полезных радиосигналов "р 2-У2лст 1 { л/2ст0 J (3)

Условная плотность вероятности помехи на выходе фильтра р(ха / В)=-~=—-ехр {- [(*. - В)Р /2а1} (4)

Плотность вероятности сигнала на входе фильтра р(Х)~ ■ ехр т/2л • о 2 • а2 (5)

Оптический метод Вероятность пропуска импульсов полезных оптических сигналов "" А^Т 1 Т2а0 Г (6)

Плотность вероятности амплитуды сигнала на выходе фильтра р(гв) = 4ехр(-Л2/2аЙ ау (7)

Условная плотность вероятности «гладкой» помехи на выходе фильтра р(х»1 у)=т^ехр[- (*■ - у)1 (8)

Общие соотношения Оптимальный порог х„ = д/21п(/ш - т,„ )-^а (9)

Среднеквадратическая частота «гладкой» помехи на выходе фильтра Л. = -сАЛ-а/ (10)

Среднее время повторения и интенсивность потока ложных импульсов Глв =~схр{-х2п/2о20) 1 ш (П)

Плотность вероятности «гладкой» помехи на выходе фильтра />(*.) = /— ехр[ х1 /2сго] (12)

Среднеквадратическое отклонение помехи на выходе фильтра а^ = |Сгш(/К2(/>// 0 (13)

Вероятность прохождения на регистрацию ложных импульсов Рш = Ы*в)Л = 0,5-ф(хп/а0) X п (14)

Основные теоретические соотношения, определяющие выбор оптимальных порогов принятия решений о пропуске отфильтрованных импульсных сигналов на алгоритмический анализ приведены в таблице 1. В таблице 1: Х- текущее значение амплитуды импульсного радиосигнала, дБ; Х-среднее значение амплитуд импульсных радиосигналов сигналов, дБ; хп - оптимальный порог принятия решений, В; В - полуслучайная амплитуда импульсов радио сигналов, В; о - среднеквадратическое отклонение пиковых значений импульсных радиосигналов, дБ; ао - среднеквадратическое отклонение «гладкого» фона, В; х„ - сигнал «гладкой» помехи на выходе фильтра, В; у и ув- соответственно уровень полезного сигнала на входе и выходе фильтра, В; ау-параметр распределения Релея для амплитуд импульсных сигналов на выходе фильтра, В; Gm(J) - энергетический спектр помехи на выходе фильтра, В2с.

Соотношение (3) найдено с использованием (4) и (5), соотношение (6) найдено с использованием (7) и (8). Для оптимизации порога принятия решений при неизвестных априорных вероятностях появления сигналов использован критерий Пирсона, минимизирующий вероятность пропуска полезных сигналов при заданной допустимой частоте ложных выбросов. Для выбранного критерия оптимальный порог может быть определен с помощью программ или графическим методом по кривым обнаружения в следующем порядке:

- по известной передаточной функции K(j) оптимального фильтра и известной спектральной плотности мощности помехи фона G„(/} рассчитывается спектральная плотность мощности помехи на выходе фильтра: G„B(/) = K2(f) Gn(f);

- по (10) рассчитывается (среднеквадратическое значение частоты сигнала «гладкой» помехи Уй;

- задаются (И) допустимым средним временем повторения выбросов случайного процесса фона на выходе фильтра Тт и по (9) определяют пороговое значение х„;

- по известным а0, ау (для оптических сигналов) или о (для радиосигналов) и хп методом численного интегрирования вычисляются интеграл (6) для системы оптической регистрации или (3) для системы радиорегистрации и интеграл (14), тем самым рассчитывают оптимальные значения Р„в = к при Р„р = min, определяющие помехоустойчивость систем на выходе порогового элемента структуры.

В главе дается теоретическое обоснование определения регистрирующей способности систем радио- и оптической регистрации. Основные теоретические соотношения, определяющие регистрирующую способность, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Теоретические соотношения к определению регистрирующей способности системы

радиорегистрации

Параметр Формула Номер формулы

Вероятность появления импульсных излучений дугового нарушения (наличие признака) _ 1 ~Т -[|-^]-М-г78ст2)-ехр(-4п/2а2)] • (15)

Вероятность превышения порога срабатывания полезным сигналом 272ко 1 (16)

Вероятность идентификации пакета /_1 лУ с (17)

Вероятность регистрации дугового нарушения Р =Р Р Р р ИЗ пп ид (18)

Вероятность ложных тревог от коммутационных помех Лт(«0 = ± ^ /=¿+1 Nп (19)

Вероятность ложных тревог от контактных помех (=0 я,! (20)

В таблице 2: Т— период тягового тока; а - среднеквадратическое отклонение амплитуд импульсных сигналов; - минимальное время от начала полупериода тока, удовлетворяющее условиям появления импульсного пробоя промежутка (см. описание главы 1); с/ - порог по количеству импульсов в пакете, свыше которого принимается решение о факте дугового нарушения; Ът-, - число пакетов помех в /-м интервале количества с набором т импульсов; п - количество интервалов по количеству; Ип -общее число пакетов помехи; кт1 - число пакетов сигнала в /'-м интервале количества с набором т импульсов; Ис - общее число пакетов сигнала; 4 = 1> 2, ...и; /ид - порого-

вое время пауз между соседними импульсами в пакете, по которому идентифицируется пакет; га - интенсивность потока контактных помех.

Выражение (15) найдено с помощью модели, определяющей вероятность попадания момента перехода тока через нуль в случайную длительность дугового нарушения, распределенную по закону Релея (установлено экспериментально путем регистрации длительностей дуговых нарушений) и для равномерного распределения случайной фазы нулевого перехода от начала полупериода. Выражение (15) учитывает вероятность отсутствия импульсных радиосигналов при температурных условиях воздействия дуги, изложенных в описании главы 2. Выражение (16) найдено с использованием (3), выражение (17) определяет вероятность регистрации пакета полезного сигнала по установленному порогу <1 количества импульсов в пакете. Выражение (18) находится с использованием (15), (16), (17), выражение (20) найдено с использованием закона Пуассона и определяет вероятность появления в последовательности анализируемых импульсов, ложных пакетов, состоящих из т > 3 импульсов.

В таблице 3 приведены финальные расчетные данные, определяющие регистрирующую способность и помехоустойчивость методов.

Таблица 3

Параметры, определяющие регистрирующую способность систем

Метод Параметр Обозначение Значение*

я • Регистрирующая способность радиосистемы на фоне «гладких» и коммутационных помех Л> 0,56

Радиорегистраци Вероятность ложной регистрации на фоне контактных помех Р 1 лр 0,0013

Вероятность ложных решений от воздействия коммутационных помех и выбросов «гладкого фона» (см. таблицу 2, выражение (19)) РА<1=2) 0

Вероятность пропуска импульсов полезного сигнала на анализ принадлежности к пакетам ■^пр 0,04

¡3 К о Регистрирующая способность системы на фоне «гладких» помех рр 0,738 0,875

¡г в Ё о Вероятность ложной регистрации при заданной частоте ложных тревог (2 срабатывания на 10 км пути) р 1 лр 3,3-Ю-6 3,8-10"6

(*) - числитель - постоянный ток; знаменатель - переменный ток.

В четвертой главе приводятся методологические и алгоритмические основы обнаружения, токоприемников и гололедных режимов стационарными радиосисте-

мами и устойчивых дефектов КС мобильными системами оптической регистрации по появлению дуговых нарушений токосъема в месте дефектов. Способность системы обнаруживать тот или иной опасный режим дуговых нарушений токосъема должна оцениваться вероятностью обнаружения, которая зависит от регистрирующей способности и методологии обнаружения.

Система радиорегистрации. Для обнаружения гололедных режимов и неисправных токоприемников по дуговым нарушениям токосъема может использоваться стационарная система контроля, основанная на принципе радиоприема. Система должна производить распознавание следующих режимов дуговых нарушений: гололедного режима; дуговые нарушения от неисправных токоприемников; одиночные дуговые нарушения от режимов, не связанных с указанными режимами дугового токосъема (подъем или опускание токоприемников, проход секционных изоляторов, воздушных промежутков с разным уровнем напряжения на секциях и др.). Распознавание режимов должно производиться микроконтроллером системы по определенному алгоритму. Радиосистема регистрирует радиосигналы, возникающие от дуговых нарушений токосъема при проходе токоприемником контрольного участка контактной сети, содержащего несколько пролетов в виде контрольных отрезков (два смежных пролета). Способность системы обнаруживать тот или иной опасный режим дуговых нарушений токосъема должна оцениваться вероятностью обнаружения, которая зависит от регистрирующей способности и методологии обнаружения.

Неисправный токоприемник. Поскольку любые методы регистрации, работающие со случайными сигналами, обладают вероятностью пропуска сигналов, то по регистрации одиночного дугового нарушения в каком-либо одном пролете контрольного участка нельзя судить о неисправности токоприемника. В этом случае требуется подтверждение процесса дугового нарушения за счет увеличения числа сравниваемых независимых результатов (испытаний). Такие результаты можно получить путем увеличением количества пролетов контактной сети участка, контролируемого стационарной радиосистемой. Решение сводится к задаче Бернулли о количестве независимых испытаний, т.е. о количестве пролетов, достаточных для принятия системой решения с заданной вероятностью. В разделе показано, что вероятность обнаружения дефектного токоприемника, проходящего по контрольному участку КС без определения типа дефекта, сводится к решению уравнения

Р0 = Ы-Рк{А).Рк{в1А).[\-Р{А)-Р{в1А)Гк, (21) к=1

где CkN - число сочетаний из N элементов по к, N - пролетов контрольного участка КС; к - число зарегистрированных дуговых нарушений системой; Р(А) - вероятность появления дугового процесса от дефекта токоприемника (для устойчивых дефектов Р(А) = 1 ;Р(В/А) - условная вероятность регистрации дуговых нарушений системой.

Расчеты по (21) показывают, что, например, если не определять тип дефекта токоприемников, то для вероятности обнаружения неисправных токоприемников с устойчивым дефектом, принятой на уровне 0,95 и при количестве зарегистрированных дуговых нарушений к> 2, контрольный участок должен содержать не менее шести пролетов. Таким образом, методологические основы регистрации устойчивых дефектов токоприемников по дуговым нарушениям токосъема состоят в регистрации повторяющихся событий дуговых нарушений в пролетах КС при проходе токоприемником контрольного участка.

Гололедный режим. Особенностью сигналов от дугового токосъема при гололеде является наличие в каждом полупериоде тока импульсных сигналов, среди которых обязательно присутствуют их плотные пакеты (см. главу 5). В условиях недостатка априорной информации о распределении количества импульсов и их пакетов в регистрируемых последовательностях при гололедном режиме следует считать, что за один полупериод тока появится не менее одного импульса. За некоторое время единичной реализации (времени записи) Гр, состав должен содержать при частоте питающей сети/не менее у = 2-/Гр,- импульсов (минимум набора импульсов - событие Di) и число плотных пакетов х > 1 (событие D2). При этом вероятность появления совместного события Я = D|a£>2 можно принять Р(Н = £>,лД>) = 1- Как показывают записи сигналов, полученных при испытаниях макетного образца системы, это положение соответствует действительности (см. главу 5). Система зарегистрирует событие Нк в одной определенной временнбй реализации Гр( с вероятностью Pw(Hk) = Р(Нк) Р„„-Рт. Методика определения вероятностей Рп„ и Рт описана в главе 3. Здесь Рап - вероятность превышения импульсными сигналами оптимального порога срабатывания, принята равной 0,99; Рт - вероятность идентификации пакета сигналов, принята равной 0,84. Для указанных выше значений вероятностей можно определить Рр,(Нк) = 1-0,99 0,84 = 0,93. Вероятность обнаружения системой дугового токосъема

при гололеде при условии, что в зарегистрированных N подряд реализациях при выбранном пороге h принятия решений гипотеза Я появится k>h раз, равна:

Рог = £с< .рк(н,).р^(нк)\1-р(нк).ррлнк)г . (22)

k=h

Расчеты по формуле (22) показывают, что, например, для N = 10 реализациям, при пороге h = 3 и Ррг(#*) = 0,93, значение вероятности обнаружения гололеда Рог = 0,999999977, т.е. практически равно единице. Длительность каждой отдельной реализации можно принять, например, равной единицам секунд. Длительность каждой реализации должна превышать длительность некоторых помех, имеющих сходный состав импульсных сигналов, например, при подъеме и опускании токоприемников (см. главу 5).

На рисунке 13 в виде временных диаграмм показан начальный уровень процесса реализации алгоритма распознавания, предназначенного для обнаружения дугового токосъема в режиме гололедных образований. Он основан на разделении принимаемой последовательности импульсных на сигналы, содержащие плотные пакеты импульсов (х), и на прочие одиночные и сдвоенные

Рис.13. Начальный уровень распознавания сигналов и импульСы (у). Гипотеза о обнаружение гололедного режима наличии гололеда принима-

ется тогда, когда в анализируемой реализации общее число пакетов и остальных импульсов превысит некоторый установленный порог g, и при условии, что в реализации присутствовали плотные пакеты импульсов (х > 0). Если количество таких реализаций зарегистрировано больше установленного порога А, и при условии температуры

Полезный сигнал

^Разделение сигналов^

г ПППП_D_ПП ППП

н!>Ц

Проверочный интервал времени

J-у

i=x

(Первое направление анализа сигпалов)

+ ч

Цх +>■) > 2 /Т„ = g при (x + jQ > 0; а- > 0 J

(s'c<t<o'cy>

М ¿ПЕТ

игщ

■ н„ От других реализаций

±

^Другие причины^

С

ГОЛОЛЕД

J

Q Ко второму направлению анализа сигналов ^

окружающей среды, соответствующей оседанию гололеда, то гипотеза о наличии дугового токосъема при гололеде принимается. Если или температура окружающей среды не соответствует температуре гололедообразования, или указанная гипотеза не

подтверждается в А и более реализациях, т.е. условие £ (х + у) > 2 • / - Гр = £ в этих

¡и

реализациях не соблюдается либо присутствует условие х = 0 (отсутствуют дуговые отрывы), то гипотеза о дуговом токосъеме по причине гололеда отвергается. Следовательно, существуют иные причины появления импульсов в реализациях.

В главе описаны также второй и третий этапы алгоритма распознавания режимов дугового токосъема. Второй этап алгоритма предназначен для идентификации неисправного токоприемника. Здесь производится анализ только фактов дуговых отрывов (х > 0), выделенных на начальном уровне. Общий принцип идентификации неисправного токоприемника состоит в установлении фактов повторяемости и периодичности дуговых нарушений токосъема, выделенных системой, в пролетах контрольного участка контактной сети в условиях потерь информации. В указанных условиях повторяемость зарегистрированных дуговых нарушений может иметь периодический или непериодический характер. Непериодическая повторяемость соответствует такому расположению зарегистрированных фактов дуговых нарушений, когда периодичность повторения в пролетах с одинаковым зигзагом контрольного участка отсутствует. В этом случае алгоритмом предусмотрено принятие решения о наличии неисправного токоприемника без возможности определения места дефекта на его то-косъемном элементе, что может являться «образом» дефекта.

Под периодической повторяемостью следует понимать такую расстановку фактов дуговых нарушений, когда существует периодичность появления однотипных дуговых нарушений в одних и тех же точках пролетов контрольного участка контактной сети с одинаковым зигзагом, т.е. расположенных через пролет. Здесь алгоритмом предусмотрено определение «образа» дефекта путем анализа периодичности появления дуговых нарушений, восстановления пропущенных системой фактов с использования свойства «зеркальности» появления фактов дуговых нарушений относительно точек фиксации контактной подвески.

Система оптической регистрации. В главе показано, что применение простой методологии обнаружения устойчивых дефектов КС, основанной на совпадении мест с дуговыми нарушениями токосъема, неэффективно, т.к. для принятия решения тре-

буется анализ результатов глубиной в 3...4 объезда участка. Предлагается новая методология обнаружения опасных дефектов КС, основанная на обнаруженной корреляционной связи наличия устойчивого дефекта и зарегистрированной длительности дугового нарушения. Связь установлена следующим образом. При совершении опытных однократных объездов ВИКС нескольких участков контактной сети фиксировались места с дуговыми нарушениями и соответствующие им длительности с помощью оптической электронной аппаратуры ДКИ-2. Затем места, зарегистрированные по координате пути, подвергались визуальному осмотру с целью определения наличия устойчивого дефекта в месте дугового нарушения. Определялись вероятности попадания дуговых нарушений в интервалы времени Юме и представленные в виде гистограмм на рис. 14а и 146.

0,3

0,2

и?.

0,6 р' 1Я 0,4

0,3 0,2 0,1 0

ш _

а)

Г, мс 50

Рис.14. Распределение по интервалам: а) длительностей дуговых нарушений; б) обнаруженных устойчивых дефектов

Анализ показывает, что основная часть длительностей дуговых нарушений (рис. 14а) лежит в области до 20 мс, в то время как основная часть устойчивых дефектов (рис. 146) приходится на длительности более 20 мс. Важно, что рассмотрение отношения количества найденных дефектов п!д* к числу дуговых нарушений п,* в каждом интервале дает следующий ряд, представленный в таблице 4. Ряд показывает, что существует вероятностная связь между длительностью дугового нарушения и вероятностью наличия устойчивого дефекта в месте дугового нарушения. Причем корреляционная связь растет с увеличением длительности дугового нарушения. Поэтому величина отношения (и(д*/л,*) определяет условную вероятность наличия дефекта в каждом отдельном )'-м интервале длительности, при условии, что в нем зарегистрировано и,-* длительностей дуговых нарушений.

Таблица 4

Зависимость относительного числа обнаруженных дефектов п,л*/п? от диапазона длительности дугового нарушения

Диапазон длительности, мс 0...10 10...20 20...30 30...40 40...50

ПЫ*/П1* 0 0,075 0,615 0,727 1

Оценка вероятности наличия устойчивого дефекта в отрезках времени длительностью от интервала с номером к до номера к+] при условии, что дуговые нарушения зарегистрированы системой регистрации, определится:

¡=к

(23)

где к = 1, 2,..., = 0, 1, 2, ..., (я - к); 5 - общее количество интервалов.

Так, например, расчеты по (23) показывают, что в отрезке времени от 20 до 50 мс (к = 3;У = 5 - к = 2) вероятность наличия устойчивого дефекта Рд*(3, 5) = 0,843. Таким образом, регистрация длительностей дуговых нарушений свыше 20 мс позволиг обнаружить не менее 84% устойчивых дефектов, при условии проверки всех мест с зарегистрированными дуговыми нарушениями длительностями свыше 20 мс. Следовательно, длительности отдельных дуговых нарушений связаны вероятностно с устойчивостью и степенью опасности дефекта.

Предлагается совмещенная методология обнаружения устойчивого дефекта КС по результатам текущего объезда участка. Пусть событие С заключается в предположении об обнаружении устойчивого дефекта по результатам сравнения опытных объездов. Пусть событие О заключается в предположении об обнаружении устойчивого дефекта по принадлежности длительности дугового нарушения г,- к определенному /у интервалу длительностей, принятия решения заключается в том, что под решением Е понимается следующая логическая связь событий С и £>:

1; при С, = 1, (/ = 1 Е = -1; при Д = 1, (/ = ¿...5),С, V С,(24) 0; при С,- л Д,

где / - номер интервала длительностей дуговых нарушений (/ = 1, 2...¿...5); к - пороговое значение номера интервала, с которого начинается принятие решения по событию Д; з - номер последнего интервала.

Выражение (24) определяет совмещенную методику обнаружения устойчивых дефектов КС по дуговым нарушениям токосъема и трактуется следующим образом. Решение об устойчивом дефекте Е = 1 принимается в двух случаях:

при совпадении места дугового нарушения по результатам нескольких объездов участка (событие С,) при попадании длительности дугового нарушения в любой интервал (г = 1.../с...«);

при попадании длительности дугового нарушения (событие А) в интервалы от к-го до ¿'-го (/ = в которых вероятность наличия дефекта в месте нарушения максимальна, и вне зависимости от появления или отсутствия события С,. Решение об устойчивом дефекте отвергается (Е = 0), если одновременно отсутствуют события С,- и Д.

Таким образом, при реализации данного алгоритма уменьшается вероятность пропуска дефекта при его появлении в период перед последним объездом. Кроме того, при малых длительностях дуговых нарушений, когда наблюдается проход токоприемником дефекта на пониженных скоростях, решение о наличии дефекта может быть принято только по совпадению. Расстановку зарегистрированных дефектов по степени опасности следует проводить по длительности зарегистрированных дуговых отрывов в месте зарегистрированного дефекта. Можно считать, что использование предлагаемой совмещенной методологии при условии использования в ВИКС оптико-электронной аппаратуры непрерывной регистрации позволит вести обнаружение устойчивых дефектов КС с дуговыми нарушениями токосъема по результатам текущего объезда участка и расставить их по степени опасности.

Пятая глава посвящена сравнительному анализу и возможностям технической реализации исследованных методов для бесконтактной регистрации дуговых нарушений токосъема, их конструктивному выполнению разработанных систем регистрации, их развернутым структурам.

Результаты исследований позволяют определить возможности использования бесконтактных методов для технической реализации систем регистрации дуговых нарушений токосъема. Сравнительный анализ методов для систем регистрации дуговых нарушений токосъема представлен таблицей 5.

Установлено, что для создания стационарных локальных систем для обнаружения опасных гололедных режимов и неисправных токоприемников наиболее рациональным техническим решением является регистрация радиоизлучений от дугового

токосъема. Для мобильных систем обнаружения устойчивых дефектов КС из ВИКС наиболее простым и технически реализуемым является метод регистрации оптического излучения.

Таблица 5

Применяемость методов регистрации дуговых нарушений токосъема

Показатели Методы регистрации

Радио Оптический

Участки переменного тока Да Да

Участки постоянного тока Нет

Вероятность обнаружения передвижными системами (число сравнений результатов объездов) 0,904 (9) 0.993 (41* 0,943 (4)

Тип нарушения Дуговое Искровое и дуговое

Регистрация длительности нарушения Нет Да

Возможность технической реализации для ВИКС Да Да

Возможность технической реализации для стационарных систем Да Затруднено

Вероятность обнаружения дефектных токоприемников стационарными системами (число контрольных пролетов) 0,954 (6) -

Вероятность обнаружения дуговых нарушений при гололеде стационарными системами (число контрольных пролетов) 1 (>1) -

(*) - числитель переменный ток, знаменатель - постоянный ток; «-»- данные отсутствуют.

Разработанные на основе изложенных принципов структуры и схемные решения легли в основу спроектированных и изготовленных опытных образцов систем. Внешний вид локальной стационарной системы радиорегистрации и мобильной системы оптической регистрации показан на рис. 15.

Конструктивно локальная радиосистема состоит из трех основных блоков: антенного узла, устройства приема, обработки и передачи сигналов и датчика температуры окружающей среды. Технически опытный экземпляр локальной стационарной

радиосистемы был реализован по проекту ПКБ ЦЭ - филиала ОАО «РЖД» в виде системы контроля дуговых нарушений токосъема под названием УОГ-2005.

а) б)

Рис.15. Системы бесконтактной диагностики: а) стационарная локальная радиосистема; б) система оптической регистрации

Система оптической регистрации состоит из двух блоков: приемного оптического блока и блока регистрации и обработки информации. Приемный оптический блок стационарно устанавливается на наблюдательной вышке ВИКС и оптической системой ориентируется на задний рабочий токоприемник электровоза, расположенный на расстоянии 15 м от приемного оптического блока. Блок регистрации и обработки информации располагается на наблюдательной вышке ВИКС и соединяется с оптическим блоком кабелем посредством разъемов. Блок регистрации и обработки информации имеет возможность передачи информации о нарушениях токосъема и их параметров в бортовую компьютерную сеть ВИКС.

Разработанная локальная система радиорегистрации прошла линейные испытания с положительным результатом. Ниже приводится ряд осциллограмм сигналов, регистрируемых системой.

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 С

Рис. 16. Осциллограмма сигнала от дугового токосъема при искусственном гололеде (температура -8°С)

0.613 0.620 0,623 С

Рис. 17. Сигнал от дугового отрыва токоприемника электровоза грузового поезда

—,-1-¡-¡--1-;-И---т

_■ ' ■ 1 ' 1-1 I

4000 3000 6000 7000 8000 9000 10000 11000

Рис. 18. Сигнал от дугового нарушения при проходе воздушного промежутка

18,7 мс

Рис. 19. Сигнал от дугового нарушения на секционном изоляторе

Рис.20. Сигнал от опускания токоприемника без нагрузки

I

I,

ымо 35000 27ИЮ 40000

Рис.21. Сигнал от подъема токоприемника без нагрузки

30000 30000 10000

Рис. 22. Характерная осциллограмма сигнала от контактной помехи

Полученные результаты натурных испытаний подтверждают правильность экспериментальных, теоретических положений и конструкторских решений, выдвинутых в данной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Впервые поставлена и решена научная проблема по созданию автоматизированной системы для непрерывного мониторинга опасных режимов дуговых нарушений токосъема на КС, решение которой на основе системного подхода позволяет определять текущее состояние КС на наличие дугового токосъема и распознавать скрытые дефекты, и опасные внешние воздействия на ранней стадии их появления, своевременное устранение которых в эксплуатации предотвратит возможные повреждения и аварии, обеспечит более надежную работу КС и увеличит безопасность движения поездов.

1. Проведен анализ и систематизация дефектов контактной сети и токоприемников по вероятности появления дуговых нарушений в месте дефекта. Произведен и обоснован выбор информативных признаков, необходимых для бесконтактной регистрации дуговых нарушений токосъема. Впервые предложено создание стационарных

территориально рассредоточенных систем для обнаружения ранней стадии гололедных образований и неисправных токоприемников, работающих на линии, на основе регистрации радиоизлучений. Разработаны требования к стационарным системам регистрации и разработана укрупненная структура территориально рассредоточенной системы.

2. Установлены причины и особенности появления импульсных радиоизлучений дугового токосъема. На основе моделирования температурных режимов дугооб-разования при нарушениях токосъема установлены границы токов и скоростей движения, при которых возможно появление импульсных радиоизлучений, как диагностического признака. Обоснован диапазон спектральной чувствительности фотоприемных структур для мобильных систем оптической регистрации.

3. Проведены экспериментальные исследования смеси принимаемых рецепторами систем электромагнитных сигналов дугового токосъема в смеси с различными помехами в реальных условиях токосъема, определены статистические оценки их параметров. Произведено обоснование и построение оптимальных структур систем регистрации. Получены необходимые для построения систем статистические оценки и распределения случайных характеристик полезных сигналов и помех в обоснованных для регистрации радио и оптическом диапазонах.

4. Разработана теоретическая основа для оптимального выделения случайных диагностических признаков дуговых нарушений токосъема из смеси со случайными помехами на основе выдвинутого критерия максимального отношения средней мощности импульсных сигналов к средней мощности «гладких» помех на выходе оптимальных фильтрующих звеньев. На этой основе произведен синтез оптимальных фильтров и выбор оптимальных порогов принятия решений о пропуске последовательности импульсных сигналов на дальнейший анализ и регистрацию.

5. Разработаны вероятностные модели, на основе которых произведена оценка регистрирующей способности систем и их помехоустойчивости к различным разнообразным помехам. Оценка показывает, что предлагаемые системы, основанные на приеме радио и оптических диагностических признаков, могут быть реализованы и обладают необходимой регистрирующей способностью и помехоустойчивостью.

6. Разработаны алгоритмы обнаружения и распознавания гололедных образований. В основу алгоритмов распознавания положены выявленные отличительные особенности принимаемых системами сигналов. Разработаны методологические

принципы обнаружения скрытых дефектов КС с помощью мобильных систем оптической регистрации, позволяющие принимать решение о наличии устойчивого дефекта по результатам текущего объезда участка КС. Разработаны методологические принципы обнаружения стационарными радиосистемами опасных внешних воздействий в виде гололедных отложений и неисправных токоприемников, работающих на линии. Произведена вероятностная оценка обнаруживающей способности разрабатываемых систем.

7. На основании оценки регистрирующей способности различных систем с учетом возможности технической их реализации проведен сравнительный анализ областей применяемости стационарных и мобильных систем. Анализ показал возможность и относительную простоту технической реализации предлагаемых систем.

8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований легли в основу создания проектов и опытных образцов систем, выполненных ПКБ ЦЭ - филиалом ОАО «РЖД» и заводом МЭЗ ЦЭ - филиалом ОАО «РЖД».

9. Правильность выдвинутых принципов, теоретических положений, проведенных экспериментальных исследований подтверждаются результатами испытаний макетных и опытных образцов систем.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Семенов Ю.Г. Регистрирующая способность видеосистемы для обнаружения опасных дефектов контактных проводов / Ю.Г. Семенов // Вестник РГУПС. -2003.-№1,-С. 43-46.

2. Жарков Ю.И. Основы алгоритма распознавания нарушений токосъема на фидерных зонах автоматизированной системой контроля / Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов// Вестник РГУПС.-2004.-№3-С. 105-108.

3. Жарков Ю.И. Основы принятия оптимальных решений системой контроля дуговых нарушений токосъема / Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов // Вестник РГУПС. -2006. -№3,- С. 82-85.

4. Семенов Ю.Г. Основы оптимальной фильтрации сигналов от дуговых нарушений токосъема автоматизированными системами контроля / Ю.Г.Семенов // Вестник РГУПС. - 2009. - №2. - С. 113-119.

5. Семенов Ю.Г. Оптимальные уровни принятия решений системами контроля дуговых нарушений токосъема / Ю.Г.Семенов // Вестник РГУПС. - 2009. - № 3. С. 107-112.

6. Семенов Ю.Г. Особенности и принципы распознавания радиосигналов от дугового токосъема при гололеде на контактной сети переменного тока / Ю.Г.Семенов // Транспорт Урала. - 2009. - №3 (22). - С. 100-102.

7. Семенов Ю.Г. Особенности радиосигналов от дуговых нарушений токосъема на контактной сети и использование их в системах диагностики / Ю.Г.Семенов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2010. -№ 3. - С.75-78.

8. Семенов Ю.Г. Регистрирующая способность систем контроля дуговых нарушений токосъема / Ю.Г.Семенов // Вестник РГУ ПС. - 2009. - № 4. - С. 122-128.

9. Семенов Ю.Г. Алгоритмические основы распознавания опасных режимов дугового токосъема на контактной сети стационарными радиосистемами мониторинга/Ю.Г.Семенов//Вестник РГУ ПС.-2010,-№ 1. — С. 118-126.

10. Семенов Ю.Г. Радиосистема для регистрации дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях переменного тока и статистические характеристики принимаемых сигналов / Ю.Г.Семенов // Известия ПГУПС. - 2011. - №1. - С. 218230.

11. Семенов Ю.Г. Исследование оптических сигналов от одиночных дуговых нарушений скользящего контакта в электротяговых сетях / Ю.Г. Семенов // Вестник РГУПС. - 2011. - № 4. - С. 162-167.

12. Жарков Ю.И. Повышение надежности и безопасности электроснабжения на основе мониторинга и раннего обнаружения опасных внешних воздействий и скрытых дефектов в устройствах электроснабжения / Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов, Е.П. Фигурнов//ВестникРГУПС.-2012.-№ 1.-С. 190-195.

Монографии, патенты, авторские свидетельства

13. Семенов Ю.Г. Основы контроля дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях / Ю.Г. Семенов - М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2010. - 139 с.

14. Патент №2249511 РФ. МКП7 В60М1/12. Способ непрерывного контроля качества взаимодействия контактной подвески и токоприемников электроподвижного состава / Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов, Е.П. Фигурнов. Опубл. 10.04.2005. Бюл. №10. -7с.: 1 ил.

15. Авторское свидетельство №815501. SU. М. Кл.3 G01D9/00, B60L5/00. Устройство для регистрации искрения токоприемника / Ю.Г. Семенов, Е.П. Фигурнов. Опубл.23.03.81 Бюл. №11. -2с.: 1 ил.

16. Авторское свидетельство №829459. СССР. М. Кл.3 B60L5/00. Устройство для регистрации отрывов токоприемника / Ю.Г. Семенов, Е.П. Фигурнов. Опубл. 15.05.81. Бюл. №18.-2с.: 1 ил.

17. Авторское свидетельство №1050927. SU. М. Кл.3 B60L5/00. Устройство для регистрации искрения токоприемника / Ю.Г. Семенов, Е.П. Фигурнов. Опубл. 30.10.83. Бюл. №40.-3 е.: 1 ил.

Другие издания

18. Семенов Ю.Г. Совершенствование методов обнаружения дефектов контактной сети, нарушающих токосъем. / Ю.Г.Семенов // Вопросы эксплуатации и совершенствования устройств электроснабжения, энергетики и электромеханики: Юбил. междунар. межвуз. сб. научн. тр. Ростов-на-Дону: РГУПС, 1999. - С. 45-48.

19. Жарков Ю.И. Концептуальные основы автоматизированной системы диагностики нарушений токосъема в электротяговых сетях железных дорог / Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов // Труды 62-й н.т.к. проф. преп. состава «Транспорт - 2003», ч.2. Ростов-на-Дону: РГУПС, 2003. - С. 175-177.

20. 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 сентября 2003 г., ПГУПС, 2003. - 238...243 с.

21. Автоматизированная диагностика нарушений токосъема в электротяговых сетях / Ю.И. Жарков, Ю.Г Семенов, Е.П.Фигурнов, Д.В. Колосов // Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики».- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. - С.45-50.

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

23. Семенов Ю.Г. Обнаружение опасных режимов работы контактной сети и токоприемников по дуговым нарушениям токосъема / Ю.Г. Семенов // Труды всерос-

сийской научно-практической конференции «Транспорт - 2009», в 3-х частях. Часть 3. - Ростов н/Д.: РГУПС. 2009. - С. 275-277.

24. Жарков Ю.И. Структура системы раннего обнаружения гололедно-изморозевых образований / Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов, О.В. Лысенко // Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2006», часть III. - Ростов н/Д: РГУПС. 2006. - С. 136-137.

25. Жарков Ю.И. Основы построения радиосистемы контроля неисправных токоприемников и гололедных режимов по дуговым нарушениям токосъема / Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов // Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна. - Днепропетровск. 2009. №27.-С. 67-71.

26. Zharkov J.I. The registration ability of radio monitoring system of Single arcing breaks of sliding contact in AC electro traction networks / J.I. Zharkov, J.G. Semenov // Proceedings of IXth International Scientific Conference «MET'2009». - Poland, Gdansk: 2009. -pp. 64-67.

27. Жарков Ю.И. Алгоритм обнаружения гололеда на участках контактной сети переменного тока радиосистемами / Ю.И. Жарков Ю.И., Ю.Г. Семенов Ю.Г. // Труды Десятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - Москва: МИИТ - С. VI-5.

28. Семенов Ю.Г. Автоматизация обнаружения гололеда на участках контактной сети переменного тока по радиосигналам от дуговых нарушений токосъема / Ю.Г. Семенов // Труды Десятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - Москва: МИИТ. - С. VI-6.

29. Жарков Ю.И. Методологические основы обнаружения опасных дефектов контактной сети и токоприемников по дуговым нарушениям токосъема автоматизированными системами контроля // Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов // Матер. Пятого Межд. симп. «Eltrans'2009»: « Электрификация, информационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте». - Спб. :ПГУПС. 2010. - С. 143-151.

30. Семенов Ю.Г. Стационарные радиосистемы для обнаружения опасных режимов дуговых нарушений токосъема как часть единой системы диагностики элементов инфраструктуры / Семенов Ю.Г. // Труды научно-практической конференции «Комплексная система содержания инфраструктуры ОАО «РЖД» «Инфраструктура -

2009». - Москва: ВНИИЖТ. 2009. - С. 97-99.

31. Zharkov J.I. Analysis of radio system ability to identify dangerous modes with faulty arcing sliding contact on an overhead contact line / J.I. Zharkov, J.G. Semenov. // Edited by Krzysztof Karwowski and Adam Szelag «Modern Electric Traction. Power supply». - Gdansk: Gdansk University of Technology. 2009. - pp. 123-135.

32. Семенов Ю.Г. Автоматизированные системы для регистрации дугового токосъема в электротяговых сетях / Ю.Г. Семенов // Сборник трудов 9-й Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», т.2. -Спб.: 2010 - С. 261-263.

33. Семенов Ю.Г. Принципы построения и структуры бесконтактных систем контроля дугового токосъема в электротяговых сетях / Ю.Г. Семенов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2010» В 3-х частях, Часть 2. «Естественные и технические науки». - Ростов н/Д.: РГУПС. 2010. - С. 313315.

34. Семенов Ю.Г. Анализ возможности использования бесконтактных методов для регистрации дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях / Ю.Г. Семенов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт -2010». В 3-х частях, Часть 2. «Естественные и технические науки». - Ростов н/Д.: РГУПС. 2010. - С. 316-318.

35. Жарков Ю.И. Повышение надежности и безопасности на основе раннего обнаружения опасных внешних воздействий и скрытых дефектов в устройствах электроснабжения // Ю.И. Жарков, Ю.Г.Семенов, Е.П. Фигурнов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2010». В 3-х частях, Часть 2. «Естественные и технические науки». - Ростов н/Д.: РГУПС. 2010. - С. 294-296.

36. Семенов Ю.Г. Обнаружение мест с устойчивыми дефектами на контактной сети с помощью регистрации дуговых нарушений токосъема оптико-электронной системой / Ю.Г. Семенов, Ю.И. Жарков / Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна. - Днепропетровск: ДИИТ. 2011. Выпуск 37. - С. 109-115.

37. Семенов Ю.Г. Радиоизлучение как информативный признак для бесконтактной регистрации дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях переменного тока Ю.Г.Семенов, Ю.И. Жарков / Труды Всероссийской научно-практической конференции «Наука, творчество, образование в области электроснабжения - дости-

жения и перспективы». - Хабаровск: ДВГУПС, 2010. - С. 20-28.

38. Семенов Ю.Г. Диагностические признаки дуговых нарушений токосъема и их регистрация бесконтактными системами / Ю.Г. Семенов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2011». В 3-х частях, Часть 1 «Естественные и технические науки». - Ростов-на-Дону: РГУПС. 2011. — С. 208-210.

39. Семенов Ю.Г. Распознавание гололедных образований и неисправных токоприемников по радиосигналам от дуговых нарушений токосъема / Ю.Г. Семенов, Ю.И. Жарков // Сб. науч. статей с международным участием: «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок электрического транспорта». -Омск: ОмГУПС. 2011. - С. 75-82.

40. Семенов Ю.Г. Мониторинг, раннее обнаружение и прогнозирование опасных внешних воздействий в устройствах электроснабжения / Ю.И. Жарков, Ю.Г. Семенов, Е.П. Фигурнов // Труды Межд. симп. «Екгапз'2011»: «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте». ПГУПС, - Спб.: ПГУПС. 2011 - С. 46-56.

41. Семенов Ю.Г. Обнаруживающая способность радиосистемы для регистрации дуговых нарушений токосъема / Ю.Г. Семенов // Сб. науч. статей с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок электрического транспорта». - Омск: ОмГУПС. Омск, 2011. - С. 82-88.

42. Семенов Ю.Г., Жарков Ю.И. Обнаружение мест с устойчивыми дефектами на контактной сети с помощью регистрации дуговых нарушений токосъема оптико-электронной системой / Материалы 4 Международной конференции «Электрификация транспорта Трансэлектро-2010». - Днепропетровск: ДИИТ. 2010. - С. 109110.

Семенов Юрий Георгиевич

РАЗВИТИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ, ТЕОРИИ И МЕТОДОВ

ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПО ПАРАМЕТРАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАДИО- И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ДУГОВОГО ТОКОСЪЕМА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати 23.09.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,56. Тираж 120 экз. Заказ 7094.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС

Адрес университета: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2.

РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО РГУПС)

На правах рукописи

ЛСЛАЛ/СЛ/С/

1 ТЭ V1?

СЕМЕНОВ ЮРИИ ГЕОРГИЕВИЧ

РАЗВИТИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ, ТЕОРИИ И МЕТОДОВ

ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПО ПАРАМЕТРАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАДИО- И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ДУГОВОГО ТОКОСЪЕМА

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Жарков Ю.И.

Ростов-на-Дону - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

1. КАЧЕСТВО ТОКОСЪЕМА И КОНТРОЛЬ ДУГОВЫХ НАРУШЕНИЙ В ЭЛЕКТРОТЯГОВЫХ СЕТЯХ........................................................ 24

1.1. Токосъем и режимы дуговых нарушений..................................... 24

1.2. Дефекты контактной сети и токоприемников, вызывающие дуговые нарушения токосъема............................................................. 33

1.3. Дуговые нарушения в системе контролируемых параметров контактной сети и показателей качества токосъема........................ 39

1.4. Основные требования к мобильным системам и устройствам регистрации дуговых нарушений токосъема из ВИКС.................... 50

1.5. Методы и мобильные технические средства регистрации

нарушений скользящего контакта и дуговых нарушений токосъема... 51

1.6. Задачи, основные принципы построения и требования

к стационарной системе для мониторинга состояния контактной сети по дуговым нарушениям токосъема........................................... 63

1.7. Выводы.............................................................................. 71

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИГНАЛОВ ОТ ДУГОВЫХ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЕМА В РАДИО-

И В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ................................................ 74

2.1. Диагностические признаки дуговых нарушений токосъема

и основные задачи экспериментальных исследований..................... 74

2.2. Исследование радиоизлучений от одиночных дуговых нарушений токосъема и радиопомех в условиях реального токосъема................ 79

2.2.1. О достоверности радиоизлучения как диагностического признака дуговых нарушений токосъема............................................... 79

2.2.2. Состав принимаемой смеси радиосигналов и радиопомех

и анализ их особенностей...................................................... 94

2.2.3. Структура радиосистемы регистрации

дуговых нарушений токосъема................................................ 99

2.2.4. Панорамное распределение уровней полезных сигналов и коммутационных помех и выбор рабочей области частот............. ЮЗ

2.2.5. Характеристики импульсного состава сигналов и помех.............. 108

2.2.6. Энергетические спектры полезных сигналов

и помех гладкого фона......................................................... 113

2.3. Статистические характеристики радиоизлучений

от дуговых нарушений токосъема при гололеде............................. 115

2.4. Оптические излучения от дуговых нарушений токосъема и фоновых помех в спектре чувствительности

германиевых фотоприемных структур......................................... 120

2.4.1. Выбор области спектральной чувствительности и аппаратура

для регистрации оптических излучений.................................... 120

2.4.2. Анализ оптических сигналов от дуговых нарушений,

помех фона и требуемая структура оптико-электронной системы... 128

2.4.3. Статистические характеристики оптических сигналов и помех...... 132

2.5. Выводы.............................................................................. 136

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ОПТИМАЛЬНОЙ РЕГИСТРАЦИИ

ОДИНОЧНЫХ ДУГОВЫХ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЕМА.................. 139

3.1. Оптимальная фильтрация случайных импульсных сигналов

на фоне «гладких» помех и синтез фильтрующих устройств............. 139

3.2.Оптимизация порогов принятия решений. Пропуск сигналов

на регистрацию..................................................................... 152

3.3.Регистрирующая способность радиосистемы............................... 160

3.4.Регистрирующая способность и помехоустойчивость мобильных оптических систем регистрации................................................ 172

3.5. Анализ регистрирующей способности систем.............................. 176

3.6. Выводы.............................................................................. 178

4. АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

РАСПОЗНАВАНИЯ ОПАСНЫХ РЕЖИМОВ

ДУГОВЫХ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЕМА....................................... 180

4Л. Общие положения.................................................................. 180

4.2. Обнаруживающая способность системы радиорегистрации, методология и алгоритмы распознавания гололедного режима и неисправных токоприемников по дуговым нарушениям токосъема..... 186

4.3. Обнаруживающая способность оптических систем регистрации, методология и алгоритмы обнаружения сосредоточенных устойчивых дефектов на контактной сети..................................... 207

4.4. Выводы............................................................................... 215

5. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ

РЕЖИМОВ ДУГОВЫХ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЕМА ...................... 217

5.1.Анализ применяемости бесконтактных методов для технической реализации систем регистрации дуговых нарушений токосъема......... 217

5.2.Радиоэлектронная стационарная система для обнаружения режимов дуговых нарушений токосъема................................................... 224

5.3.Мобильная оптико-электронная система непрерывной оптической регистрации........................................................................... 230

5.4. Испытания локальной системы радиорегистрации режимов

дуговых нарушений токосъема................................................... 235

5.5.Вывод ы................................................................................ 246

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................ 248

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................. 251

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................ 265

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Контактная сеть (КС) является важнейшей частью системы электроснабжения железных дорог, должна обладать высокой надежностью. Из всех элементов системы электроснабжения КС находится в самых тяжелых условиях эксплуатации и подвержена постоянному воздействию токоприемников, неблагоприятному воздействию различных метеорологических факторов. При всех воздействиях КС должна обеспечивать бесперебойный и качественный токосъем в самых сложных условиях эксплуатации [1, 2]. Проблема обеспечения качественного токосъема приобретает все большее значение, т.к. в настоящее время состояние КС определяется на большей части своей протяженности третьим этапом жизненного цикла - стадией старения. По данным Управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО "РЖД" удельная повреждаемость КС на участках со сроком службы более 40 лет превышает среднесетевой уровень и ухудшает надежность работы системы тягового электроснабжения в целом. Это происходит на фоне ежегодного прироста протяженности КС со сроком службы более 40 лет на 1500... 1800 км.

В процессе эксплуатации на КС, в том числе из-за старения элементов, их интенсивного и чаще всего неравномерного износа, изменения различных параметров, возникают опасные дефекты, нарушающие качественный токосъем. Последствия таких процессов проявляются, в конечном итоге, в виде локализованных дефектов в определенных местах контактных проводов. Такие дефекты являются сосредоточенными, скрытыми и особенно опасными, так как они проявляют себя только в моменты нарушения токосъема, что всегда сопровождается либо перегрузочным искрением, либо дуговым процессом. Сосредоточенные дефекты быстро прогрессируют, что впоследствии приводит к аварийным ситуациям, пережогам и обрывам контактных проводов, повреждениям и поломкам токоприемников, к задержкам и простоям поездов, значительным затратам времени и средств на

восстановление работоспособного состояния КС. По данным за 2012 год доля пережогов проводов в общем количестве повреждений КС составляет 17%. Доля пережогов проводов над токоприемниками также не снижается и составляет 50...65% (данные 2011 г.). В отказах проводов и тросов наиболее повреждаемые - контактные провода (45,4% в отказах проводов и тросов). Доля отказов КС за счет метеоусловий (в том числе гололед) составляет порядка 10%) [3].

Для повышения надежности КС в таких условиях с целью раннего обнаружения и устранения таких скрытых дефектов, порождающих дуговые нарушения, требуется создание мобильных автоматизированных систем, позволяющих не только своевременно обнаружить устойчивые сосредоточенные дефекты, но и определить степень их опасности, тем самым определить порядок их устранения [4]. Особую значимость такая проблема приобретает в условиях реализации тяжеловесного и скоростного движения.

Следует учесть, что проблема повышения надежности КС и обеспечения качественного и бездугового токосъема не ограничивается только своевременным обнаружением и устранением сосредоточенных скрытых дефектов КС, порождающих дуговые нарушения. Дуговые нарушения могут возникать в других опасных режимах работы КС, например, при внешнем воздействии на нее работающих на линии неисправных токоприемников, имеющих дефекты или отдельные параметры, не соответствующие нормам, а также в режиме образования гололеда, что также вызывает значительный износ и термическое разупрочнение контактирующих элементов с последующим интенсивным его развитием. Указанные внешние воздействия дугового токосъема должны также выявляться на ранней стадии появления в процессе текущей эксплуатации с принятием соответствующих своевременных мер по их устранению.

Решение проблемы обеспечения высокой надежности КС и качественного токосъема проводится в двух основных направлениях. Первое важное направление - это совершенствование и разработка методов расчета,

создание новых более совершенных конструкций КС, а также токоприемников и новых материалов токосъемных элементов. Второе не менее важное направление - это развитие систем контроля текущего состояния КС и совершенствование системы ее технического обслуживания по текущему состоянию [5].

В указанных направлениях значительный вклад в разработку теории, методов расчета, создания конструкций контактных подвесок, токоприемников и их взаимодействия, в решение проблем обеспечения качественного токосъема, создания основ для построения современных средств и систем диагностирования КС внесли такие ученые и практики как: В.Д. Авилов, И.А. Беляев, В.Я. Берент, H.A. Буше, H.A. Бондарев, JI.A. Вислоух, И.И. Власов, В.А. Вологин, А.Г. Галкин, И.С. Гершман, Ю.И. Горошков, B.J1. Григорьев, А.И. Гуков, А.Т. Демченко, А.Е. Ефимов, Ю.И. Жарков, Ю.Е. Купцов, В.Н. Ли, К.Г. Марквардт, В.П. Михеев, Г.П. Маслов, Л.С. Панфиль, A.B. Плакс, A.A. Порцелан, Ю.А. Родзаевская, С.М. Сердинов, O.A. Сидоров, С.Д. Соколов, Е.П. Фигурнов, A.B. Фрайфельд, В.Е. Чекулаев и многие другие ученые и специалисты.

Определение достоверного текущего состояния КС должно опираться на диагностику. В широком смысле это требует совершенствования не только существующих передвижных систем и средств раннего обнаружения опасных дефектов КС, но и создания стационарных систем и средств распознавания режимов ее работы при неблагоприятных внешних воздействиях: от гололедных режимов, от дефектных токоприемников, работающих на линии.

Решение такой задачи диагностики КС мобильными либо стационарными системами, прежде всего, требует выбора достаточно достоверных информативных признаков, характеризующих дуговой токосъем и обеспечивающих бесконтактную регистрацию режимов токосъема с дугой. В качестве таких признаков представляется целесообразным выбрать появление электромагнитных излучений от

дугового токосъема в оптическом и радиодиапазоне электромагнитных волн. Последнее неразрывным образом связано с исследованиями в области электромагнитных излучений от тяговой сети, электроподвижного состава и токосъема, т.е. с вопросами электромагнитной совместимости.

В область теории электромагнитных излучений от КС и ЭПС, электромагнитной совместимости устройств тягового электроснабжения, линий электропередачи, в область моделирования электромагнитных процессов и полей тяговой сети большой вклад внесли отечественные ученые: М.П. Бадер, А.Т. Бурков, Б.И. Косарев, P.P. Мамошин, К.Г. Марквардт, М.И. Михайлов, С.А. Соколов, М.Г. Шалимов, и другие. Экспериментальными исследованиями электромагнитных излучений от токосъема занимались Ю.В. Ваванов, Г.Н. Заржевский, С.И. Тропкин, К.С. Щербакова и другие. Из зарубежных специалистов - Ж.А. Антонацци, М. Зелаг, М. Клинглер, М. Ласковски и другие ученые и инженеры. Среди большого числа работ следует отметить работы, посвященные разработке и анализу математических и компьютерных моделей радиоизлучений от дугового токосъема - обзорную работу Г. Лёнинга, математические модели Г. Лукка, К. Учимуры и работы других авторов. В области исследования оптических излучений от дугового токосъема можно отметить работы М. Ишикавы, Ф. Накамы, И. Масару, Г. Хейгля, и других ученых и специалистов.

Следует отметить, что существующие исследования радиоизлучений от нарушений токосъема направлены в основном на обеспечение электромагнитной совместимости КС и ЭПС с устройствами связи и устройствами автоблокировки. Исследования не учитывают импульсные радиосигналы значительного уровня от дуговых нарушений токосъема из-за их кратковременности, относительной редкости и случайности появления.

Исследования многих авторов, а также опыт эксплуатации КС, легли в основу создания как у нас в стране, так и за рубежом, современных вагонов-лабораторий для диагностики и испытания контактной сети (ВИКС),

содержащих автоматизированные измерительные комплексы для диагностики основных ее параметров [6 - 13]. Предлагаются также новые технические решения системы диагностики контактной подвески и качества токосъема из ВИКС [6, 11, 14]. Все системы диагностики, как правило, в свою структуру включают регистрацию отрывов токоприемника от контактного провода, что свидетельствует о важности такой регистрации. Однако, во-первых, такие системы предусматривают контроль отрывов только собственного измерительного токоприемника ВИКС, что часто не дает объективных результатов, во-вторых, на настоящий момент времени надежные и достоверно работающие средства регистрации отрывов (тем более, отрывов с дугой) токоприемника отсутствуют. Разработки в этом направлении имеют разобщенный и фрагментарный характер. Вместе с тем, отрывы токоприемников работающего на линии электроподвижного состава (ЭПС) всегда сопровождаются либо дугой при полной потере контакта, либо перегрузочным искрением при частичной его потере, и происходят, как правило, в местах устойчивых дефектов КС, интенсивно развивая дефект. Поэтому правильнее осуществлять регистрацию дуговых процессов не на токоприемнике ВИКС, а на токоприемнике ЭПС, который нагружен током тяги, тем самым регистрируя факты дуговых нарушений. В связи с этим возникает важная задача разработки дистанционных (бесконтактных) способов для регистрации дуговых отрывов на рабочем токоприемнике ЭПС, работающим с ВИКС. И что особенно важно для эксплуатации - необходимо иметь не только достаточно достоверные средства регистрации мест с дуговыми нарушениями токосъема, но и конкретные методологические рекомендации по обнаружению дефектов на КС с учетом случайности проявления регистрируемых признаков, а также по использованию полученных результатов для определения степени опасности и очередности устранения дефектов. Существующая' система контроля качества токосъема на КС из ВИКС не имеет пока ни надежных аппаратных средств регистрации, ни четких методических рекомендаций для работников районов

по устранению дефектных мест с устойчивыми дуговыми нарушениями токосъема.

Как уже отмечалось, в широком смысле проблема определения причин возникновения дугового токосъема не должна ограничиваться регистрацией только опасных скрытых дефектов КС при объездах участков ВИКС. На магистральных линиях могут работать локомотивы с токоприемниками, которые уже имеют отклонения от нормативных параметров или приобрели эти отклонения в процессе движения по участкам. Ряд таких отклонений от норм (далее - дефектов) могут создавать дуговые нарушения токосъема, порождая тем самым дополнительные устойчивые дефекты уже на проводах КС. ЭПС с такими токоприемниками должен быть своевременно выявлен и снят с линии.

Особое место среди причин дуговых нарушений токосъема занимает токосъем при гололедных отложениях на КС. Гололед начинает свое образование, как правило, в локальных и зачастую визуально ненаблюдаемых местах фидерных зон. Регистрация дугового токосъема на гололедных участках на ранней стадии появления гололеда позволит выявлять места его возникновения, динамику распространения и предпринять своевременные меры по его устранению, например, путем профилактического подогрева проводов КС.

Регистрацию опасных внешних воздействий на КС неисправных токоприем�