MS- Word файл автореферата (625 КБ)

На правах рукописи
Колосов Дмитрий Владимирович
ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
КАК ОСНОВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЕМА В ЭЛЕКТРОТЯГОВЫХ СЕТЯХ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Специальность: 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и
электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ростов – на – Дону
2007
Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы электроснабжения»
государственного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»
(РГУПС)
Научный руководитель –
доктор технических наук, профессор
Жарков Юрий Иванович
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор
Ульяницкий Евгений Мефодьевич (РГУПС)
кандидат технических наук, доцент
Муханов Виталий Викторович ( Ростовский
государственный строительный университет
(РГСУ))
Ведущая организация –
Омский государственный университет
путей сообщения (ОмГУПС)
Защита диссертации состоится 2 июля 2007 г. в 14 00 на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан 31 мая 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 218.010.01,
доктор технических наук, профессор
2
Соломин В.А.
Общая характеристика работы
Актуальность исследований.
Одной из важнейших стратегических задач развития ОАО «РЖД» является рост эффективности и безопасности работы железнодорожного транспорта.
Выполнение поставленных задач в немалой степени зависит от поддержания
высоких эксплуатационных характеристик используемых технических объектов
путем применения новых технологий в области диагностики технического состояния контролируемых элементов.
В ряду технических и экономических проблем электрических железных
дорог одно из основных мест занимают проблемы обеспечения надежного и
экономичного токосъема. Особая роль отводится разработке и применению
высоконадежных и эффективных систем диагностики качества взаимодействия
токоприемника ЭПС и контактного провода, позволяющих проводить оперативную диагностику нарушений токосъема на перегоне и осуществлять информационное обеспечение соответствующих служб и подразделений.
В настоящее время контроль нарушений токосъема на железнодорожной
линии осуществляется специализированным вагоном-лабораторией. При этом
имеют место относительно большие периоды времени между плановыми объездами участков (раз в квартал), в промежутках между которыми мониторинг
практически не осуществляется. Кроме того, такой контроль привязан к токоприемнику одного локомотива, к которому прицеплен вагон. Такое положение
не позволяет своевременно выявлять внезапно возникающие дефекты при осуществлении перевозочного процесса (отжиги, изгибы, вмятины, износ контактного провода, пропилы и сколы токосъемных накладок токоприемников), а
также учитывать влияние на токосъем негативных климатических факторов
(ветровые нагрузки, гололедно-изморозевые образования).
Для решения задачи постоянного контроля взаимодействия токоприемников ЭПС и контактной подвески по состоянию токосъема целесообразно использовать автоматизированные стационарные комплексы, расположенные
вдоль трассы железной дороги, однако в настоящее время в нашей стране таких
систем не существует. Основной проблемой при создании автоматизированных
комплексов мониторинга токосъема является необходимость разработки бесконтактного метода обнаружения нарушений токосъема и методики достоверного выявления полезного сигнала на фоне различных помех. Представляется,
что эта задача может быть решена путем анализа радиоизлучений при нарушениях токосъема с помощью аппарата математического моделирования.
Существующие модели токосъема, описанные в литературе, не в полной
мере учитывают специфику электродуговых процессов для электрифицированной железнодорожной линии переменного тока. В свою очередь, экспериментальные результаты измерений позволяют получать лишь ограниченную информацию в связи с привязкой результатов к конкретным условиям исследований и невозможностью рассмотрения влияния всех сопутствующих факторов.
Для решения поставленной задачи представляется необходимой разработка математических моделей взаимодействия токоприемника ЭПС и кон3
тактного провода, выполненных с учетом особенностей токосъема на железной
дороге и подтвержденных натурными экспериментами.
Результаты моделирования физических и электрических процессов при
различных режимах токосъема с учетом варьирования влияющих факторов могут быть использованы для создания и выбора оптимальных характеристик радиоприемных устройств, входящих в состав разрабатываемой автоматизированной системы диагностики нарушения токосъема и являющихся одними из
наиболее важных ее элементов, а также для совершенствования алгоритма
функционирования комплекса в целом.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей электродуговых процессов при нормальном токосъеме
ЭПС и его дуговом нарушении для выполнения задач построения стационарных радиоприемных элементов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема и выбора их технических характеристик с учетом общих
принципов функционирования комплекса мониторинга.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
- выполнен анализ процессов дугообразования при нормальном (безотрывном) токосъеме и его нарушениях применительно к специфическим условиям электрифицированной железной дороги переменного тока;
- осуществлено создание и программная реализация аналитических и
статистических моделей взаимодействия токоприемника электровоза и контактного провода при токосъеме при рассмотренных режимах и анализ результатов расчетов для выбора характеристик радиоприемных узлов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема;
- разработана математическая модель дугового токосъема средствами
специализированного программного обеспечения EWB Multisim на ЭВМ с учетом особенностей электродуговых процессов на линиях переменного тока;
- проведен анализ результатов расчетов с использованием разработанных
моделей и сравнение с данными экспериментальных исследований для определения адекватности моделей и достоверности полученных результатов;
- разработаны рекомендации по созданию и совершенствованию технических характеристик радиоприемного узла автоматизированной системы мониторинга токосъема по результатам моделирования.
Методика исследования. Основу диссертационной работы составляют
теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в период 2003-2007 гг. В работе использованы методики моделирования на ЭВM
сложных электрических систем с применением аппарата линейной алгебры,
теории функции многих переменных, численных методов решения систем нелинейных уравнений, систем дифференциальных уравнений, теории матриц.
Научная новизна работы заключается в создании специализированных
математических моделей дугового токосъема, отличающихся от существующих
учетом особенностей электродуговых процессов на контактной сети переменного тока. Разработанные модели позволяют провести количественную оценку
радиоизлучений при нарушениях токосъема при изменении различных влияющих факторов.
4
Основными научными результатами являются:
- математическая модель нормального токосъема с использованием системы нелинейных уравнений для определения количественных характеристик
электромагнитных излучений в данном режиме эксплуатации;
- аналитические и статистические модели для основных режимов нарушения токосъема, выполненные с помощью математического описания электромагнитных характеристик процессов, статистического анализа данных измерений на действующих участках и применения систем компьютерного моделирования;
- методика расчета электромагнитных излучений при нарушениях токосъема с использованием специализированных компьютерных средств моделирования работы участка электрифицированной железной дороги, учитывающая
особенности электродуговых процессов при токосъеме на линиях переменного
тока;
- рекомендации по выбору радиоприемных устройств средств технической диагностики, входящих в состав автоматизированного комплекса мониторинга токосъема, и определению параметров их функционирования.
Достоверность научных положений и выводов. Достоверность разработанных аналитических и статистических моделей подтверждена строгостью
теоретического обоснования и сравнением полученных результатов моделирования с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы. Созданы простые и достоверные средства моделирования различных режимов нарушения токосъема на участках переменного тока; разработаны рекомендации выбору параметров функционирования радиоприемных элементов автоматизированной системы диагностики
дугового токосъема.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
представлялись, обсуждались и были одобрены на:
- 4-й международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2003г.);
- 2-м международном симпозиуме Eltrans 2003 (Санкт-Петербург, 2003г.);
- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005»,
(Ростов-на-Дону, 2005г.);
- 7-й международной конференции «Modern electric traction in integrated
st
XXI century Europe» (Варшава, Польша, 2005г.);
- 6-й международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2006г.);
- 7-й международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2006г.);
- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007»,
(Ростов-на-Дону, 2007г.);
- 7-й международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2007г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13
печатных работ.
5
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 148 страниц основного
текста, 8 таблиц, 74 рисунка, список использованных источников из 115 наименований и приложение на 10 страницах.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи
работы и определены направления выбранных исследований.
В первой главе «Автоматизация обнаружения нарушений токосъема в
электротяговых сетях» проведен анализ существующих методов контроля состояния контактной сети и выполненных ранее исследований в области разработки автоматизированных систем диагностики нарушений токосъема. Теоретической базой для исследований явились фундаментальные труды таких отечественных ученых, как И.А.Беляев, И.И.Власов, В.А.Вологин, Ю.И.Горошков,
Ю.И.Жарков, Ю.Е.Купцов, К.Г.Марквард, В.П.Михеев, В.В.Муханов,
Ю.Г.Семенов, О.А.Сидоров, Е.М.Ульяницкий, Е.П.Фигурнов, А.В.Фрайфельд,
а также разработки зарубежных исследователей в аналогичной области.
Для получения объективной оценки текущего состояния контактной сети
и оперативного выявления нарушений токосъема представляется необходимым
осуществлять постоянный эксплуатационный контроль как с помощью соответствующих технических средств инспекционных вагонов-лабораторий, так и
применением стационарных автоматизированных систем диагностики нарушений токосъема. Подобный комплексный подход призван обеспечить непрерывный контроль токосъема на участке, выявление внезапно возникших дефектов,
в т.ч. под воздействием неблагоприятных климатических факторов, в процессе
эксплуатации токоприемников и контактной сети и обеспечить соответствующие службы и подразделения необходимой технической информацией в режиме реального времени.
Проведенный анализ применяемых систем мониторинга состояния контактной подвески позволяет сделать вывод, что в настоящее время не существует стационарных комплексов, использующих радиоизлучение, возникающее при дуговом нарушении контакта между накладкой токоприемника и контактным проводом, в качестве информационного признака нарушения токосъема и способных осуществлять оперативный контроль и диагностику нарушения токосъема в режиме реального времени.
В данном случае имеет место недостаточная научно-техническая разработанность комплексных задач изучения дугообразования при токосъеме и отсутствие методик математического моделирования физических и электромагнитных процессов, учитывающих особенности токосъема на железнодорожной
линии переменного тока.
В этой связи выполнен анализ процессов дугообразования при взаимодействии контактной сети и токоприемника, проведено построение и программная реализация соответствующих математических моделей. Результаты
расчетов должны позволить определить наиболее информативные и достовер6
ные области значений параметров радиоизлучений при нарушениях токосъема
и используются для выбора параметров радиоприемных узлов и элементов системы мониторинга токосъема в целях повышения оперативности и достоверности обнаружения автоматизированной системой диагностики нарушений токосъема на линии.
Во второй главе «Математическое моделирование электродуговых процессов при нормальном (безотрывном) токосъеме» приведена методика построения аналитической модели нормального токосъема.
Разработана аналитическая модель безотрывного токосъема для количественной оценки амплитудно-частотных характеристик радиоизлучений,
представляющих собой мешающий (паразитный) сигнал, при различных
влияющих факторах. Модель может быть использована для разработки и совершенствования технических средств автоматизированной системы контроля
нарушений токосъема.
Нормальный токосъем можно рассматривать как дуговой, но в данном
случае имеют место микродуги, возникающие между контактирующими точками проводников; при этом происходит изменение контактного сопротивления и
тока.
Результирующий ток через контактирующие поверхности можно рассматривать как сумму основной составляющей (ток электровоза) и изменяющейся во времени малой по величине составляющей, являющейся причиной
возникновения электромагнитного радиочастотного шума. Ввиду случайных
характеристик шероховатости контактирующих поверхностей проводников,
представляется необходимым моделировать контактное сопротивление
RС между двумя скользящими поверхностями с помощью случайной функции.
Этот процесс возможно выразить формулой:
RС (t )  Rcm   (t ,  , ),
(1)
где Rcm – среднее значение контактного сопротивления;
 - изменяющаяся случайная составляющая;
 , - два случайных числа, имеющих распределение плотностей вероятности q ( ), p ( ) соответственно.
Контактное сопротивление возможно аналитически представить как серию прямоугольных импульсов, амплитуда и длительность которых являются
случайными величинами.
Основываясь на определенных допущениях, получена схема замещения
тяговой сети (рисунок 1).
7
контактная сеть
A
L1
L2
RC
R1
U1
Rt
рельсовая цепь
GКС
СКС
R2
U2
B
Рис. 1. Эквивалентная схема замещения тяговой сети
Здесь Rc - контактное сопротивление между токосъемной накладкой пантографа и контактным проводом; Rt - эквивалентное активное сопротивление
локомотива. Ток, потребляемый электровозом:
U (t )
U (t )   (t ,  , )
I (t ) 

,
(2)
Rt  Rcm
( Rt  Rcm ) 2
где U (t ) - напряжение в контактной сети.
Для расчета электромагнитного излучения при нормальном токосъеме,
вызываемого мешающим током в тяговой сети, необходимо определить распределение данного тока по тяговой сети (линии с распределенными параметрами) при различных частотах. Задача состоит из расчета спектральной плотности мощности, моделирования мешающего тока с помощью соответствующего
источника тока и расчета мешающего тока, распространяющегося вдоль тяговой сети. Спектральная плотность мощности рассчитана по формуле Карсона.
Характеристика источника тока J ( f , B ) , расположенного на месте ЭПС (рисунок 2) и распространяющего мешающий ток по тяговой сети, выражена как:
J ( f , B)  G( f )  B,
(3)
где G ( f ) - спектральная плотность мощности,
B - ширина частотного диапазона.
контактная сеть
l(t)
A
J (f, B)
l(t)
r(t)
r(t)
B
рельсовая цепь
Рис. 2. Схема замещения тяговой сети с источником мешающего тока
8
Эквивалентная схема с источником тока может характеризоваться следующими величинами ( i  1,2 ):
Z i shDi  Z c chDi
Y N ,i 
, См,
(4)
Z c ( Z c shDi  Z i chDi )
Ui
I sc,i 
, А,
(5)
( Z c shDi  Z i chDi )
где YN ,i , I sc ,i и Z i – соответственно, проводимость, ток короткого замыкания
и сопротивление i-части тяговой сети;
  j LC и Z c  L / C - коэффициент распространения и волновое
сопротивление линии (тяговую сеть при больших величинах  можно рассматривать как линию без потерь);
Di - расстояние между электровозом и i-тяговой подстанцией.
С помощью теории цепей с распределенными параметрами рассчитано
растекание мешающего тока по тяговой сети:
YNi I a
( Z c  Z1 )e  ( x  D1 )  ( Z c  Z1 )e  ( x  D1 )
I 1 ( x) 

, х  [-D1, 0],
(5)
YN 1  YN 2
2( Z1 shD1  Z c chD1 )
 YN 2 I a ( Z c  Z 2 )e  ( x  D2 )  ( Z c  Z 2 )e  ( x  D2 )

, х  [0, D2],
(6)
YN 1  YN 2
2( Z 2 shD2  Z c chD2 )
где Z1 , Z 2 - сопротивление 1-го и 2-го участков тяговой сети.
Зная ток дуги, токи I1 ( x) , I 2 ( x) и считая землю идеальным проводником,
возможно вычислить излучаемое электромагнитное поле при основной частоте.
По результатам моделирования получен ряд амплитудно-временных и
амплитудно-частотных диаграмм напряженностей электрического и магнитного
полей при различной ширине сближения с тяговой сетью. Амплитудные величины помех при нормальном токосъеме меньше результатов статистической обработки излучений при нарушениях токосъема в среднем на 15-20
дБ при соответствующей частоте, что дает возможность подтвердить выбор
частотной области (130-140 кГц) и чувствительности радиоприемных
устройств (приведенные параметры отражены в работах Ю.Г.Семенова) для
надежной фильтрации полезного сигнала при дуговых процессах от подобных помех на участке. Методика может применяться в смежных областях,
например, при изучении вопросов электромагнитной совместимости.
В третьей главе «Математическое моделирование электродуговых процессов при различных режимах нарушения токосъема» приведено описание
аналитического и статистического расчетных методов, позволяющих произвести количественную оценку электромагнитных излучений, возникающих при
различных режимах дугового нарушения токосъема.
На основании проведенного анализа результатов основных аналитических описаний дугового разряда, опубликованных в зарубежной литературе,
осуществлен выбор наиболее оптимального варианта математической модели с
учетом особенностей дугового токосъема на железной дороге и поставленных
I 2 ( x) 
9
задач исследований. В основе главы диссертационной работы лежит общая
термодинамическая модель электрической дуги:
dG '
 A1  G ' (1 n )  A2  G ' n ( 1) i 2 ,
(7)
dt
где G ' - удельная проводимость дуги;
i - ток дуги;
n,  - термодинамические параметры, зависящие от температуры (для
электрической дуги с температурой до 12000 К принимаем n  0,32 ;   0,67 );
A1 , A2 - коэффициенты, зависящие от линейной функции распределения
удельного теплового потока  (r ) для характерного поперечного сечения плазменного канала дуги.
Определена эквивалентная схема замещения участка электрифицированной железнодорожной линии при дуговом нарушении токосъема (рисунок 3).
контактная сеть
A
L1
Ra
R1
Lt
L2
gл
U1
сл
Rt
рельсовая цепь
R2
U2
B
Рис. 3. Эквивалентная схема замещения участка тяговой сети при дуговом токосъеме
Зависимость тока дуги ia (t ) от времени на основании результатов обратного преобразования Фурье:
t
 l ( )


di
ia (t )  j (t )   y N (t   )  a
 Rt ia ( )  Lt a
 d .
(8)
G
(

)
dt
a


t


0


где
Rt и Lt – эквивалентные сопротивление и индуктивность электровоза;
la ( ) - величина воздушного промежутка между токосъемной накладкой
пантографа и контактным проводом.
В данном случае величина мешающего тока j (t ) определяется как:
0
j (t )  isc (t ) 
y

N
(t   )u ( )d ,
(9)
где u ( ) - напряжение между контактным проводом и рельсовой цепью перед возникновением дуги.
Уравнения (7) и (8) составляют интегрально-дифференциальную систему
– основу рассматриваемой аналитической модели. Для численного решения ис10
ходных уравнений использован метод Рунге – Кутта при заданных начальных
условий для параметров ia , Ga и dia / dt . Расчет аналогичен рассмотренному
ранее при моделировании нормального токосъема на участке. В качестве примера на рисунке 4 представлена амплитудно-частотная диаграмма напряженности магнитного поля при различной ширине сближения с тяговой сетью.
104
d=1м
d = 10 м
d = 20 м
d=5м
мкА/м
102
d = 50 м
10
1
100
Н
10-1
10-2
103
104
105
106
107
Гц
109
f
Рис. 4. Амплитудно-частотная диаграмма Н(f)
Анализ результатов моделирования при вариации различных влияющих
факторов показывает, что в диапазоне 130-140 кГц, ранее выбранном для работы специализированного радиоприемного устройства, входящего в состав автоматизированной системы диагностики дугового токосъема, для надежной регистрации полезного сигнала рекомендуется определить чувствительность приемника прямого усиления в диапазоне 3-6 мВ/м.
В основе статистической модели лежат аналитические выражения для
магнитного и электрического полей с применением метода линейного многоуровневого регрессионного анализа. В качестве зависимых переменных используются величины напряженностей магнитного и электрического полей. Объяснительные переменные характеризуют основные параметры, влияющие на
свойства электромагнитного поля при дуговом токосъеме.
На основе проведенного анализа получены следующие математические
выражения для определения величин напряженностей Н и Е:
H  100  f  1  d  2   3  I  4 , А/м,
(10)
E  10 0  f  1  d  2   3  I  4 , В/м.
(11)
Значения коэффициентов α 0 , α1 , α 2 , α 3 , α 4 (β 0 , β1 , β 2 , β 3 , β 4 ) определены
путем анализа экспериментальных данных измерений. В таблице 1 представлены величины отклонений результатов вычислений с использованием статистической модели от измеренных величин напряженностей магнитного и электрического полей.
11
Таблица 1 – Отклонения между расчетными и измеренными величинами
Поле
|Н|
|Е|
Максимальное
отклонение, дБ
H max
Минимальное
отклонение, дБ
H min
Среднее
отклонение, дБ
H
21,2
0,4
7,5
9,9
Emax
Emin
E
 E
Дисперсия, дБ
 Н
9,2
0,07
3,7
4,6
Результаты расчетов в меньшей степени совпадают с экспериментальными данными, чем при использовании аналитической модели, однако максимальная погрешность при расчетах не превышает 21,2 дБ (16 %) при дисперсии
9,9 дБ, что позволяет применять подобный подход для количественной оценки
амплитудного уровня радиопомех при различных влияющих факторах, а
также в качестве быстрого и наглядного способа проверки и подтверждения результатов, полученных экспериментальным путем.
В четвертой главе «Моделирование дугового токосъема средствами специализированного программного обеспечения на ЭВМ и анализ результатов»
рассмотрена методика моделирования дугового токосъема средствами программного обеспечения EWB; проведено сравнение результатов расчетов с использованием разработанных математических моделей с экспериментальными
данными; выполнен расчет протяженности зон распространения радиоизлучения; представлены основные результаты испытаний макетного образца автоматизированной системы диагностики дугового токосъема.
Разработана методика моделирования схемы замещения тяговой сети и
ЭПС на ЭВМ средствами специализированного ПО EWB, учитывающая при
моделировании особенности электродуговых процессов при токосъеме на
участках переменного тока. На рисунке 5 представлены общие расчетные схемы для участков переменного тока при одно- и двухсторонней схемах питания.
а
б
Рис. 5. Общие схемы замещения участка тяговой сети:
а – система двухстороннего питания; б – система одностороннего питания
12
Обобщенная схема модели состоит из схем замещения тяговой подстанции (блоки 1,2, X1, Х2), контактной сети (3-6, Х2, Х3, Х6, Х7), электровоза (8,
Х5), а также блока «точка контакта» (7, Х4).
В качестве точки контакта между токоприемником электровоза и контактным проводом применяется ключ, управляемый кодовой комбинацией генератора слова. В соответствии с рассмотренными особенностями возникновения повторных пробоев воздушного промежутка при дуговом токосъеме и в зависимости от рассматриваемого режима токосъема определяется двоичная кодовая комбинация работы генератора слова. При кратковременном размыкании
ключа в блоке контакта, управляемого кодовой комбинацией генератора слова,
осциллографом регистрируются высокочастотные выбросы, определяющие параметры радиоизлучений при выбранном режиме нарушения токосъема.
В результате программной симуляции рассмотренной схемы замещения
получен ряд амплитудно-частотных характеристик электромагнитных излучений в процессе дугового токосъема при различных параметрах рассмотренной
схемы замещения. Сравнительные результаты измерений на действующем
участке и расчетных величин, полученных при моделировании (рисунок 6).
дБ
X
f, МГц
Рис. 6. Сравнение измеренных и расчетных данных моделирования
В результате анализа полученных данных можно сделать вывод, что
наибольшие уровни радиоизлучений при выбранном режиме дугового токосъема при обоих режимах питания тяговой сети наблюдаются в границах
0,1-0,2 МГц с последующим спадом уровня по мере возрастания частоты.
При этом наблюдается увеличение уровня излучений в среднем на 10 дБ в
диапазоне 6-14 МГц. Результаты моделирования подтверждают правильность выбора частотного спектра 130-140 кГц для работы специализированного радиоприемного устройства и определение дополнительной помехоустойчивой области (14 МГц), обеспечивающей наилучшую частотную и
13
амплитудную селекцию сигналов от нарушений токосъема на фоне мешающего действия паразитных радиопомех.
Для оценки адекватности разработанных математических моделей реальным процессам при дуговом токосъеме, а также для проверки достоверности
расчетных данных выполнено сравнение результатов экспериментальных исследований с расчетными величинами (рисунок 7).
дБмкВ/м
f
Рис. 7. Сравнение экспериментальных и расчетных данных
Средняя величина абсолютного значения отклонения от расчетных данных составляет 4,5 дБмкВ/м (11%) при расчетной дисперсии величин погрешности 6,8 дБмкВ/м. Различия в результатах измерений и математических расчетов могут быть объяснены как спецификой условий экспериментальных исследований, влиянием большого количества дополнительных влияющих факторов,
не полностью учтенных при анализе полученных данных, так и определенными
допущениями при составлении и программной реализации аналитической модели, принятыми для существенного упрощения расчетов при сохранении приемлемого уровня достоверности и адекватности полученных результатов.
Как показывают результаты сравнения, полученные расчетные данные
соответствуют экспериментальным, как минимум, по порядку величин, что
позволяет сделать вывод об адекватности предложенной аналитической модели
дугового токосъема.
Для оценки протяженности зон распространения радиоизлучений при дуговом токосъеме и дальности обнаружения использованы данные расчетов с
применением разработанной аналитической модели. При этом распространение
токов, вызванных дугообразованием в зоне контакта токоприемника и контактного провода, описывается с помощью формул (5) и (6). По результатам расчетов сделан вывод, что при заданных параметрах радиоприемных устройств ав14
томатизированной системы диагностики дальность обнаружения полезного
сигнала составляет не менее 1 км в обе стороны от места дугового токосъема.
С участием автора были проведены испытания макетного образца автоматизированной системы диагностики нарушений токосъема. Одними из целей
испытания были определение работоспособности и качества работы радиоприемных системы и дальности обнаружения полезных радиосигналов. По результатам исследований сделан вывод о работоспособности и достаточной помехоустойчивости испытанного образца при дальности обнаружения полезных сигналов не менее 1 км в обе стороны от места приема, что согласуется с результатами расчетов.
Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Фигурнову Е.П. и
к.т.н., доценту Семенову Ю.Г. за научные консультации.
Основные результаты и выводы
Основные результаты представленной диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Выполнен анализ процессов дугообразования при нормальном токосъеме и его нарушениях, вызванных различными причинами, применительно к
специфическим условиям электрифицированной железной дороги.
2. Разработана аналитическая модель нормального токосъема с использованием системы нелинейных уравнений для определения количественных характеристик электромагнитных излучений в данном режиме эксплуатации.
3. Осуществлены разработка и программная реализация аналитических и
статистических моделей взаимодействия токоприемника электровоза и контактного провода при различных режимах нарушения токосъема и анализ результатов расчетов для определения характеристик радиоприемных узлов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема.
4. Выполнено построение математической модели дугового токосъема
средствами специализированного программного обеспечения EWB Multisim на
ЭВМ с учетом особенностей электродуговых процессов на линиях переменного
тока.
5. Результаты сравнения данных расчетов с применением аналитической
модели дугового токосъема с экспериментальными данными доказывают адекватность разработанной модели и достоверность полученных результатов.
6. Выполнен расчет протяженности зон распространения радиоизлучения
при дуговом токосъеме согласно методике, положенной в основу разработанной аналитической модели. Дальность обнаружения полезного сигнала может
составлять не менее 1 км в обе стороны от источника при заданных параметрах
радиоприемной аппаратуры автоматизированной системы диагностики нарушений токосъема, что подтверждается испытаниями образца системы.
7. Разработаны рекомендации по созданию и совершенствованию технических характеристик радиоприемного узла автоматизированной системы мониторинга токосъема по результатам моделирования.
15
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Жарков Ю.И., Семенов Ю.Г., Колосов Д.В. Контроль качества токосъема
на электрифицированных участках железных дорог. Сборник тезисов докладов 62-й студенческой научно-практической конференции/Под ред.
А.Н.Гуды.– Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2003. – С. 96-97.
2. Жарков Ю.И., Семенов Ю.Г, Фигурнов Е.П., Колосов Д.В. Автоматизированная диагностика нарушений токосъема в электротяговых сетях.
Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф., г.Новочеркасск, 26 сентября 2003г.:
В 3 ч./Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. –
Ч.2. – С.45-50.
3. Жарков Ю.И., Семенов Ю.Г, Фигурнов Е.П., Колосов Д.В. Системотехнические основы автоматизированной диагностики нарушений токосъема
в электротяговых сетях. Электрификация и научно-технический прогресс
на железнодорожном транспорте: Материалы второго международного
симпозиума eltrans 2003, 21-24 октября 2003г., ПГУПС, 2004. - С.133-134.
4. Жарков Ю.И., Семенов Ю.Г., Колосов Д.В. Автоматизация диагностики
дугового токосъема в электротяговых сетях железных дорог. Сборник тезисов докладов 63-й студенческой научно-практической конференции /
Под ред. А.Н.Гуды. – Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2004. –
С.45-47.
5. Жарков Ю.И, Колосов Д.В. Статистическое моделирование дугового токосъема в электротяговых сетях переменного тока. Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: Сб.науч.тр. молодых ученых, аспирантов и докторантов / Под ред. д-ра техн. наук, проф.
А.Н.Гуды.– Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т. путей сообщения, 2005. – С.45-47.
6. Жарков Ю.И., Колосов Д.В. Моделирование дуговых процессов при
нарушениях токосъема. Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005», май 2005 г.в 2-х частях. Часть 2. Рост. гос.
ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2005. - С.335-337.
7. Zharkov J.I., Semenov J.G., Figurnov E.P., Kolosov D.V. «The automated current collection failure diagnostic system for AC electrified railways». Seventh
international conference «Modern electric traction in integrated XXIst century
Europe», Warsaw, 2005. - pp.134-136.
8. Жарков Ю.И., Колосов Д.В. Математическое моделирование режимов
нарушения токосъема в электротяговых сетях переменного тока. Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы VI Междунар. науч.практ. конф., г.Новочеркасск, 7 апр. 2006г.: В 5 ч. / Юж.-Рос. гос. техн.
ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. – Ч. 2. – С. 40-43.
9. Колосов Д.В. Статистическое моделирование дугового токосъема в тяговых сетях переменного тока. Совершенствование схем устройств электроснабжения транспорта и проектирование их конструкций: Сб. науч.
16
тр. / Под ред. А.Г.Галкина. Екатеринбург: Изд-во Урал гос. ун-та путей
сообщения, 2005. Вып. 48 (131). - С.116-118.
10.Kolosov D.V. The developing of current collection failure diagnostic system
for AC electrified railways. Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: Материалы VII Международной науч.-практ. конф.,
г.Новочеркасск, 29 сент.2006г.: В 3 ч. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). –
Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. – Ч.1. – С.10-12.
11.Колосов Д.В. Разработка математических моделей электродуговых процессов в задачах автоматизации мониторинга токосъема в электротяговых
сетях железных дорог. Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. – 2007. - №2. – С.81-85.
12.Колосов Д.В. Имитационное моделирование дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях переменного тока. Труды Всероссийской
научно-практической конференции «Транспорт-2007», ч. 2., Рост. гос. унт путей сообщения. Ростов н/Д, 2007. – С.45-46.
13.Колосов Д.В. Имитационное моделирование дуговых процессов при токосъеме в электротяговых сетях переменного тока. Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы VII Междунар. науч.-практ. конф.,
г.Новочеркасск / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск:
ЮРГТУ, 2007. – С.34-37.
Колосов Дмитрий Владимирович
ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
КАК ОСНОВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЕМА В ЭЛЕКТРОТЯГОВЫХ СЕТЯХ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Специальность: 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 29.05.2007г. Формат бумаги 60х84/16.
Бумага офсетная. Ризография. Усл.печ.л. 1,0.
Тираж 100. Заказ №
Ростовский государственный университет путей сообщения.
Ризография РГУПС.
344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного
Ополчения, 2.
17