Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние импульсных помех тяговой сети на системы поездной радиосвязи 13
1.1. Проблема помехоустойчивости и электромагнитной совместимости систем радиосвязи 13
1.2. Нормы и рекомендации по электромагнитной совместимости 14
1.3. Математическая модель канала связи 15
1.4. Характеристика помех в каналах поездной радиосвязи 16
1.5. Причины возникновения и характеристики импульсных помех
1.6. Источники импульсных помех на железнодорожном транспорте 24
1.7. Оценка мешающего дейсвия импульсных помех на железнодорожном трансторте 28
1.8. Физические основы дугообразования при нарушении токосъема 30
1.9. Напряженность электромагнитного поля при возникновении дуги 34
1.10. Анализ состояния вопроса 38
1.10.1. Применяемые средства измерения при спектральном и
статистическом анализе 39
1.11. Выводы к первой главе 52
Глава 2. Математическая модель спектрального и статистического анализа импульсных помех 55
2.1. Основные характеристики случайных сигналов 55
2.1.1. Общие определения 55
2.2. Случайный гауссовский процесс 61
2.3. Статистические характеристики импульсных помех 64
2.4. Статистический анализ импульсных помех 67
2.5. Статистическое моделирование дугового токосъема 75
2.6. Анализ уровня радиоизлучения помех на электрифицированных железнодорожных линиях постоянного и переменного тока при нарушении токосъема 2.7. Спектральный анализ импульсных помех 86
2.8. Вычисление спектральной плотности импульсных помех 92
2.8.1. Распределение энергии в спектре импульсной помехи 92
2.9. Выводы к второй главе 94
Главаь 3. Моделирование электродуговых процессов на ЭВМ 98
3.1. Выбор модели электрической дуги 98
3,2. Схема системы замещения тяговой сети 2x25 кВ 99
3.3. Компьютерное моделирование нарушения токосъема с помощью MulnisimlO 105
3.4. Выводы по третьей главе 112
Глава 4. Разработка методики спектрального и статистического анализа импульсных помех тяговой, сети железнодорожного транспорта 113
4.1. Метрологическое обеспечение применяемой аппаратуры и
компьютерной программы Sony Sound Forge 7.0 113
4.1.1. Требования, предъявляемые к аппаратуре 116
4.2. Спектральный анализ импульсных помех 118"
4.2.1. Частота 150 МГц, тяговая сеть 2x25 кВ , 118
4.2.2. Расчёт фазовой характеристики тяговая сеть 2x25 кВ р = ДО, частота 150 МГц 123
4.2.3. Частота 150 МГц, тяговая сеть 2x25 кВ. Анализатор спектра на базе виртуальной лаборатории PC - Lab 2000 124
4.2.4. Гектометровый диапазон, тяговая сеть 2x25 кВ 128
4.2.5. Расчёт фазовой характеристики p = f(t), гектометровый диапазон,
тяговая сеть 2х25кВ 130
4.2.6. Гектометровый диапазон, тяговая сеть 3,0 кВ, 131
4.2.7. Расчёт фазовой характеристики. Гектометровый диапазон, тяговая сеть 3,0 кВ 136
4.3. Вычисление спектра по мощности с помощью программы System View 137
4.4. Сравнительный анализ реального и максимального допустимого уровня импульсных помех в каналах радиосвязи 139
4.4.1. Тяговая сеть 2x25 кВ гектометровый диапазон 139
4.4.2. Тяговая сеть 3,0 кВ, гектометровый диапазон 140
4.4.3. Тяговая сеть 2x25 кВ, частота 150 МГц 141
4.5. Статистический анализ 144
4.5.1. Частота 150 МГц, тяговая сеть2х25 кВ 144
4.5.2. Гектометровый диапазон, тяговая сеть 2 х 25 кВ 147
4.5.3. Гектометровый диапазон, тяговая сеть 3,0 кВ 149
4.6. Выводы по четвертой главе 151
Глава 5. Разработка цифрового метода борьбы с импульсными помехами тяговой сети железнодорожного транспорта 153
5.1. Структура и характеристики цифрового фильтра 154
5.2. Расчет аналоговых фильтров-прототипов 154
5.3. Проектирование цифровых фильтров 156.
5.4. Метод цифровой фильтрации, основанный на оценке спектральной плотности помех 162
5.5. Выводы к пятой главе 165
Глава 6. Разработка практических мероприятий 166
6.1. Общие положения 168
Заключение 169
Библиографический список
- Характеристика помех в каналах поездной радиосвязи
- Статистические характеристики импульсных помех
- Схема системы замещения тяговой сети 2x25 кВ
- Частота 150 МГц, тяговая сеть 2x25 кВ
Введение к работе
Актуальность работы. Тема диссертационной работы соответствует политике правительства, ОАО «РЖД» по модернизации существующих железнодорожных магистралей и созданию скоростных магистралей в стране.
В связи с этим, остро ставится вопрос об электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств железнодорожного транспорта с импульсными помехами (ИП) тяговой сети железнодорожного транспорта, возникающими при нарушении токосъема.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является разработка технических мероприятий по обеспечению ЭМС систем поездной радиосвязи при воздействия ИП (уровня радиоизлучения) на поездную радиосвязь, возникающих при нарушении токосъема, с учётом:
- скоростного движения, до 400 км/ч;
- зимних погодных условий;
- режима выбега.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) проанализировать основные факторы, возникающие при нарушении токосъема, влияющие на ЭМС средств поездной радиосвязи;
2) предложить статистическую модель для определения уровня радиоизлучения в данном диапазоне для различных электрифицированных участков;
3) выполнить расчеты уровня радиоизлучения с учетом различных факторов;
4) разработать математическую модель дугового токосъема средствами программного обеспечения EWB Multisim 10 на ЭВМ, тяговая сеть переменного тока кВ;
5) на основе этой математической модели разработать методику расчета ЭМС тягового электроснабжения с техническими средствами железнодорожного транспорта;
6) выполнить анализ результатов расчетов с использованием разработанной модели и сравнить с данными экспериментальных исследований для определения достоверности полученного результата;
7) разработать методику записи ИП;
8) выполнить гармонический анализ (Фурье – анализ);
9) выполнить анализ спектра по мощности;
10) статистический анализ ИП;
11) изучить их свойства с применением современных компьютерных технологий и цифрового измерительного комплекса;
12) оценить эффективность действующих систем поездной радиосвязи;
13) разработать и реализовать технические решения, обеспечивающие ЭМС системы тягового электроснабжения с поездной радиосвязью.
Методика исследований. Уровень радиоизлучения рассчитан с помощью метода линейного многоуровневого регрессионного анализа, позволяющего выделить основные факторы влияющие на уровень радиоизлучения, при нарушении токосъема. Компьютерное моделирование уровня радиоизлучения выполнено с помощью пакета программирования MULTISIM 10. При проведении экспериментальных исследований применялось следующее оборудование:
-
радиоприемное устройство гектометрового диапазона;
-
железнодорожная радиостанция УКВ диапазона (типа «Транспорт»);
-
ноутбук (для записи ИП в канале радиосвязи на низкой частоте).
Фурье – анализ ИП выполнен:
а) программным методом, с помощью программы Sony Sound Forge 7;
б) цифровым измерительным комплексом голландской фирмы Vеlleman Instruments.
Для расчета коэффициентов цифрового режекторного фильтра применён проектировщик цифровых фильтров – Filter Design & Analysis Tool из пакета прикладных программ MATLAB 6.5.
Объектом исследования является ИП тяговой сети, система тягового электроснабжения, дуговой токосъем, канал поездной радиосвязи.
Научная новизна заключается в том, что разработана статистическая модель, позволяющая выполнить количественную оценку радиоизлучений ИП при нарушении токосъема, с учетом неблагоприятных факторов: зимних условий, режима выбега;
на основе статистической модели выполнен расчет уровня радиоизлучения, в диапазоне частот (2-900) МГц, скорость до 400 км/ч, с учетом различных влияющих факторов;
проведен анализ результатов расчетов с использованием статистической модели и сравнение с данными экспериментальных исследований и компьютерного моделирования для определения достоверности полученного результата;
даны рекомендации по корректировке уровня радиопомех в Правилах организации и расчета сетей поездной радиосвязи ОАО «РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ»
В диссертационной работе разработана и внедрена методика спектрального и статистического анализа ИП, определен реальный уровень ИП, выполнен Фурье – анализ ИП, рассчитан спектр по мощности, статистическая обработка ИП. Всё это отсутствует в применяемой методике ОАО «РЖД».
По результатам Фурье – анализа спроектирован цифровой, режекторный, многоступенчатый фильтр, позволяющий бортовому компьютеру локомотива или сигнальному процессору эффективно подавлять ИП в каналах поездной радиосвязи гектометрового диапазона.
Разработаны и внедрены практические мероприятия, позволяющие улучшить ЭМС систем поездной радиосвязи гектометрового диапазона с ИП.
Положения, выносимые на защиту.
1) анализ состояния вопроса;
2) статистическая модель для расчета уровня радиоизлучения;
3) расчет уровня радиоизлучения помех на электрифицированных линиях с учетом скоростного движения, зимних погодных условий и режима выбега и различных других влияющих факторов;
4) компьютерное моделирование дуговых процессов на ЭВМ;
5) разработка «Методики спектрального и статистического анализа импульсных помех тяговой сети железнодорожного транспорта»;
6) сравнительный анализ полученных результатов;
7) разработка цифровых методов борьбы с ИП в каналах поездной радиосвязи;
8) практическое применение результатов диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения доложены на научно – практической конференции аспирантов и студентов «На переднем крае науки и техники» (Смоленск, 2006 г.), на Всероссийской научно - методической конференции «Применение современных информационных технологий в подготовке специалистов по прикладной информатике (Смоленск, 19 декабря 2007 г, Смоленский гуманитарный университет), заседаниях кафедры «Электротехника» РГОТУПС (2005 - 2008) г., кафедры «Электрификация и электроснабжение РГОТУПС (РОАТ) в 2009 г., кафедры «Электроснабжение электрических железных дорог МГУПС (МИИТ) в 2009- 2010 г.
Достоверность основных научных положений подтверждена сходимостью результатов теоретических расчетов, компьютерного моделирования и анализом экспериментальных данных.
Реализация работы. Основные положения диссертационной работы нашли применение в Смоленском отделении Московской железной дороги, при модернизации поездной радиосвязи гектометрового диапазона, в учебном процессе Смоленского филиала МГУПС (МИИТ).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 11 печатных работ, две из них в издании, рекомендованном ВАК по специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (103 наименования). Работа содержит 192 страницы машинописного текста, 25 таблиц, 83 рисунка, 6 приложений.
Характеристика помех в каналах поездной радиосвязи
Рассматривая ЭМС как показатель качества продукции, необходимо на различных этапах ее создания (планирование, испытание оценка качества) соблюдать целый ряд рекомендаций и норм, охватывающих комплекс непрерывно совершенствующихся вопросов ЭМС. В каждой стране существуют национальные комитеты, институты и т.д., разрабатывающие национальные нормы по» ЭМС. Они обычно тесно связаны с такими международными организациями, как Международная конференция по большим энергетическим системам (СИГРЭ), Международная совещательная комиссия телеграфной и телефонной службы (СС1ТТ), Международный союз1 по производству и- распределению электроэнергии, технический комитет ТК 77 и, другие комитеты, МЭК, специальный международный комитет по радиопомехам. (СИСПР).
СИГРЭ- занимается проблемами техники связи, телемеханики, распределительных устройств, вторичной коммутации, биологического влияния высоких напряжений. Основная тематика СС1ТТ - техника связи. Вопросы влияния, потребителей на сети электроснабжения - компетенция МЭК. Последняя рассматривает также различные электротехнические устройства и системы сети электроснабжения., линии передачи данных. Технический комитет СИСГТР анализирует проблемы искрения, разрабатывают европейские и мировые рекомендации и нормы по электромагнитной совместимости.
В России в 2001 - 2003 годах вступил в силу ряд новых стандартов по ЭМС, аналогичных Европейским стандартам.
Объектами регулирования при обеспечении ЭМС являются электротехнические, электронные и радиоэлектронные изделия, а также любые изделия (механические, оптические и т.д.), содержащие электрические и (или) электронные компоненты (для обозначения указанных изделий применяется общее понятие «технические средства»
- ТС). В соответствии с мировой практикой при техническом регулировании в области ЭМС при изготовлении, вводе в эксплуатацию и в процессе применения технических средств должно быть регламентировано соблюдение двух групп требований: по ограничению эмиссии техническими средствами электромагнитных помех в окружающую среду, способных нарушить функционирование других технических средств; по обеспечению устойчивой работы технических средств при воздействии внешних помех искусственного и природного происхождения [8].
В самом общем случае модель канала связи (радиосвязи) можно представить в виде четырехполюсника, для которого входной и выходной сигналы связаны интегралом Дюамеля: 5(0=1 ) -7) , (1.1) -00 Где S(T) — выходной сигнал; S(t) - входной сигнал; g(t,t-r) - импульсная характеристика четырехполюсника, представляющая собой реакцию системы на входной сигнал в виде дельта - функции. На небольших интервалах времени канал можно считать стационарным, т.е., g(t t2) = g(t2 -/,) зависит лишь от разности аргументов (/2-/,) = г . Канал можно также задать комплексной частотной характеристикой, связанной с преобразованием Фурье: KUa))=lg(T )e-JTtdT- K(JG))e -j(p{co) (1.2) где KUa ) = К(со) - соответственно амплитудно-частотная (АЧХ) и (р{а ) = argK(ja)), фазочастотная (ФЧХ) характеристики канала. Для идеального канала имеем K Ja ) равно const и линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ) (р{о ). Обычно измеряется не ФЧХ, а групповое время прохождения r(ca) = d(p(ct))/do). Для идеального канала с линейной фазочастотной характеристикой т(со) = const [9]. ВЫВОД. Таким образом, математическая модель канала радиосвязи накладывает следующие ограничения: 1) измерения ИП должны проводится на несущей частоте передатчика железнодорожной радиостанции, для гектометрового диапазона это 2,13 МГц, УКВ диапазон 150 МГц. 2) спектр ИП (низкочастотная огибающая) в канале радиосвязи существует только в пределах АЧХ, т.е. в пределах полосы пропускания. Для железнодорожной радиостанции это (0,3 — 3) кГц.
Статистические характеристики импульсных помех
Во всех случаях переходной процесс длится около КГ -ІСГ3 с. Последующее расхождение электродов вызывает более медленное колебание электрических величин ввиду того, что канал плазмы не обрывается. Изменения токопроводящего канала дуги всегда связаны с величинами постоянной времени rlh. Последующее устойчивое горение дуги сопровождается относительно стабильными во времени амплитудными значениями величин напряженностей электрического и магнитного полей, которые не превышают нескольких единиц В/м и А/м соответственно, что несопоставимо с рассмотренными выше величинами.
Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее быстрое изменение электрических величин, характеризующих электрическую дугу (основная причина возникновения электромагнитных помех), связано с динамическими процессами в дуговом разряде и лежит в диапазоне tA = 10 9 -10 8 с. Можно также отметить связь между величинами плотности тока через плазменный канал, дуги, электропроводности канала и параметрами возникающего электромагнитного поля. На основе проведенного анализа одиночных дуговых разрядов, рассмотрим динамику развития последовательных процессов, возникающих при дуговом токосъеме. На рис. 1.8 показана условная осциллограмма тягового тока и напряжения в скользящем контакте при образовании дугового отрыва.
Анализ процессов показывает, что в момент отрыва, если он происходит при малых токах тяги, в начале или конце периода тока, энергии тепловыделения в дуговом промежутке недостаточно для устойчивого горения дуги. Дуга в это время охлаждается встречным потоком воздуха, растягивается от прогретой точки на контактном проводе до движущейся накладки токоприемника и гаснет, и в это этот момент к воздушному промежутку прикладывается напряжение, достаточное для его электрического пробоя.
При этом ток носит емкостный характер, так как через пробой промежутка осуществляется заряд входной емкости электровоза. Значение этой емкости мало и составляет десятки пФ. Ток 13 заряда емкости имеет по законам коммутации вертикальный резкий фронт и малое (доли миллисекунд) время заряда. Ток емкостного пробоя через воздушный промежуток незначителен и пока еще недостаточен для инициации дугового тока, так как не создает нужной температуры для устойчивого горения дуги и он снова рвется. Входная емкость разряжается током L на индуктивность первичной обмотки трансформатора электровоза Lr, как это показано на рис.
Процесс повторных электрических пробоев продолжается с частотой резонанса, образованного параллельным контуром Ст и LT. Затем наступает момент, когда ток достаточен для возникновения устойчивой дуги, процесс повторных пробоев прекращается. Если отрыв прекращается раньше, чем закончится полупериод тягового тока, то процесс съема тока нормализуется и дуга отсутствует. При этом ток носит емкостный характер, так как через пробой промежутка осуществляется заряд входной емкости локомотива. Значение этой емкости мало и составляет десятки пФ. Ток IQ заряда емкости имеет по законам коммутации вертикальный резкий фронт и малое (доли миллисекунд) время заряда. Ток емкостного пробоя через воздушный промежуток незначителен и пока еще недостаточен для инициации дугового тока, так как не создает нужной температуры для устойчивого горения дуги, и он снова рвется. Входная емкость разряжается током / на индуктивность первичной обмотки трансформатора электровоза LT, как это показано на рис. 1.9. Процесс повторных электрических пробоев продолжается с частотой резонанса, образованного параллельным контуром Свх и LT. Затем наступает момент, когда ток достаточен для возникновения устойчивой дуги, процесс повторных пробоев прекращается. Если отрыв прекращается раньше, чем закончится полупериод тягового тока, то процесс съема тока нормализуется и дуга отсутствует. Если отрыв при малых токах тяги создаются условия для прекращения дуги до перехода тока через нулевое значение. Это, так называемый, срез тока, который характеризуется резким переходом его к нулевому значению. Здесь также могут наблюдаться повторные пробои воздушного промежутка. Все зависит от величины тока тяги, скорости движения локомотива (интенсивности встречного обдува дуги). Если отрыв продолжается после перехода тягового тока через нулевое значение, то в начале следующего полупериода дуга возникнет не сразу, а также через повторные пробои воздушного промежутка.
Схема системы замещения тяговой сети 2x25 кВ
Изменив направление осей, как это сделано на рис. 1.13, можно ответить на вопрос, превысит ли амплитуда гармоники определенное значение.
Характерной чертой любой системы отображения данных является способность представлять соответствующую информацию о соотношении различных гармоник в группе. Для этой цели используются различные графические формы, в том числе трехмерные кривые и уровневые графики.
Представление отдельных гармоник в системе трех координат с шагом в единицу времени (доля секунды, секунда или минута) по оси времени было признано неосуществимым из-за большого числа используемых данных и из-за того, что общий рисунок перекрывал существенную часть кривых. Если вместо определенных гармоник использовать их трендовые составляющие, то, несмотря на сохраняющееся перекрытие рисунков, на схеме хорошо различимы общие изменения и соотношения между гармониками. Выделение интересующих гармоник более жирными линиями еще больше уменьшает эффект перекрытия рисунков рис. 1.14.
В отличие от трехмерных кривых для случая, когда требуется информация об амплитудах гармоник и их соотношениях, может использоваться форма представления информации, изображенная в виде уровневых графиков. В результате такого представления сохраняется p информация о времени, и оно может быть использовано для определения уровня гармонических составляющих во всем их диапазоне.
Наибольшее число анализаторов гармоник выдают выходную информацию в виде определенного спектра. Подобное представление может быть легко реализовано на дисплее и отображено принтером или графопостроителем.
Рассмотрим алгоритм записи и действия отдельных приборов при обработке и гармоническом анализе в измерительном комплексе АКСА.
К датчикам информации (измерительные шунты, датчики Холла, делители напряжения или измерительные шунты, подключенные к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения и др.) подключается измерительный магнитограф, например типа 7005 фирмы Брюль и Къер или фирмы Сони, который записывает кривые тока и напряжения в разных режимах эксплуатации исследуемых устройств и дает возможность неоднократного воспроизведения записи кривых в лабораторных условиях с целью их подробного гармонического анализа.
С выхода измерительного магнитографа воспроизведенная кривая (или две кривые при параллельной обработке) подается на частотный анализатор гармоник типа 2031 фирмы Брюль и Къер (или на два параллельно включенных анализатора). На экране анализатора можно наблюдать и запоминать либо мгновенную временную диаграмму исследуемого процесса, либо спектр гармонических составляющих исследуемой кривой в виде 400 вертикальных полос (рис. 1.15). Этот узкополосный частотный анализатор предназначен для быстрого частотного анализа стационарных, нестационарных и кратковременных процессов.
Работа анализатора 2031 основана на быстром преобразовании Фурье. Время, затрачиваемое на определение 400 спектральных составляющих, - 200 мс, т.е. прибор работает в реальном масштабе времени на частотах до 2 кГц. Рабочий частотный диапазон анализатора устанавливается либо от 0 до 10 Гц, либо от 0 до 2000 Гц.
Входные параметры анализатора 2031: максимальное входное напряжение 42 В.; входное сопротивление 1 МОм/100 пФ; 11 диапазонов измерений с дискретной настройкой и шагом 10 дБ в пределах (66—166) дБ относительно 1 мкВ; аналого-цифровое преобразование, 12 двоичных разрядов, дополнительный двоичный код, максимальная ошибка ±0,5 младшего разряда. Частота выборки должна быть не менее чем частота верхнего предела рабочего частотного диапазона, умноженного на 2,56. Режим запуска: однофазный запуск от внешнего и внутреннего источника, автоматический периодический запуск. Усреднения по линейному и экспоненциальному законам. Аналитический диапазон измерений по выбору оператора 20, 40 или 60 дБ.
В целях исследования уровня отдельных гармоник в реальном масштабе времени или статистического анализа, а также вывода осциллограмм и спектров, зафиксированных на экране анализатора, все данные с анализатора подаются на ЭВМ и обрабатываются по специально разработанным для этой цели программам. Программа «ТІ», предназначенная для анализа временных зависимостей изменения гармонических составляющих, позволяющих наряду с графическими представлениями получать и статические характеристики для каждой анализируемой спектральной составляющей. Программа реализует следующие функции: накопление необходимого объема спектров заданных спектральных составляющих с заданным интервалом считывания; графическое изображение временного изменения каждой спектральной составляющей на плоттере или графопостроителе; вычисление математического ожидания, среднеквадратического отклонения 3-го, 4-го центральных моментов и закона распределения; нахождение максимального и минимального значений каждой спектральной составляющей с представлением результатов в виде таблиц и графиков. При необходимости рассчитываются коэффициенты искажения кривой тока, несинусоидальности кривой переменного напряжения и полной волнистости кривой выпрямленного напряжения.
Программа «SP» предназначена для обработки спектров и их графического представления. Программа считывает 400 спектральных линий с экрана анализатора 2031 и передает информацию на цифровое печатающее устройство или на плоттер, который строит спектр, зафиксированный на экране анализатора.
Программа «TF» предназначена для графического представления временных функций (осциллограмм). Программа считывает из памяти анализатора 1024 значения временной функции и передает информацию на плоттер, который представляет графически временную функцию.
ЭВМ выполняет в автоматизированном комплексе функции управляющего устройства (контроллера) магистрали МЭК 625-1. К этой магистрали присоединены необходимые приборы фирмы Брюль и Къер работой графопостроителя осуществляется с помощью параллельного интерфейса пользователя. Сравнение полученных результатов часто обнаруживает значительные расхождения, так как разные изготовители оборудования и разные специалисты применяют разное аппаратное и программное обеспечение для анализа спектров. Например, анализатор типа 2034 фирмы, Брюль и Къер порядок 11, обеспечивает разрешение в 2048 точек FFT Фурье. Расхождения могут иметь место даже при анализе одного и того же пакета данных. Проблема влияния типа окон на результаты анализа по методу пороговой или ускоренной трансформации (FFT) общеизвестна. Из практики известно, что чаще всего применяют окно Хеннинга.
Современные анализаторы спектров используют различные способы расчета спектров и разные методы обработки результатов. В основном исследуются спектры мгновенных значений, средних величин, а также значений, приведенных к максимальному из всех зафиксированных. В последнем случае, максимальная из всех гармоник представляется в виде огибающей кривой на протяжении временного периода анализа.
Для расчета усредненных спектров должны быть известны следующие величины: длина шага при использовании окон в анализе; число усреднений; вид усреднений — линейные или экспоненциальные.
Частота 150 МГц, тяговая сеть 2x25 кВ
Дальнейший расчет полностью аналогичен рассмотренному ранее при моделировании нормального токосъема на участке. Рассчитав проводимости полученной эквивалентной схемы с источником тока по формуле (2.13) для каждой из двух сторон от места расположения электровоза, воспользуемся формулами (2.16), (2.17) для определения растекания мешающего тока по ТС и амплитудно-частотного спектра радиопомех.
Согласно теории элементарных диполей, излучаемое тяговой сетью электромагнитное поле представляет собой результат интегрирования полей отдельных элементарных диполей и соответствующих зеркальных отображений.
Как следует из анализа физических процессов взаимодействия токоприемника электровоза и контактного провода, уровни радиопомех при неустойчивом горении дуги в процессе носят случайный характер и зависят от большого количества факторов. Получение наиболее достоверных результатов возможно при математическом описании свойств стабильно горящей дуги. Для исследования такого рода радиопомех обычно применяется статистический подход, использующий экспериментальные данные измерений на действующих участках железных дорог. Аналитическое описание данных явлений и исследование в лабораторных условиях без существенных упрощений представляются крайне сложным, что определяет ряд существенных допущений при реализации предложенных моделей.
Таким образом, представляется актуальной разработка и программная реализация варианта моделирования схемы замещения тяговой сети и ЭПС на ЭВМ средствами специализированного программного обеспечения, учитывающего при моделировании особенности электродуговых процессов при токосъеме на участках переменного тока (нарушение токосъема может сопровождаться повторными пробоями воздушного промежутка между контактным проводом и токосъемнои накладкой токоприемника электровоза при переходе тягового тока через нулевое значение). В качестве прикладного программного обеспечения для симуляции работы схемы замещения тяговой сети и электроподвижного состава при различных режимах токосъема представляется целесообразным использовать программное обеспечение (ПО) Electronics Workbench (EWB) Multisim 10 (ДЕМО - версия), разработки фирмы Interactive Image Technologies (Канада). Особенностями данной программы являются простота и удобство в работе, обширная библиотека аналоговых и цифровых элементов, а также наличие ряда многофункциональных виртуальных контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам [61].
Для осуществления моделирования необходимо определить общую блочную схему замещения тяговой сети, параметры схем замещения основных элементов рассматриваемой системы. Основные положения по компьютерному моделированию нарушения токосъема изложены в [60,61].
Обобщенная схема замещения тяговой сети переменного тока для односторонней схемы питания представлена на рис. 3.3.
В рассматриваемой модели использована типовая схема замещения трансформатора ОРДТНЖ-25000/220-79У1, приведенная к напряжению первичной обмотки.
В трансформаторах данной конструкции потоки рассеивания частей обмоток, расположенных на разных стержнях магнитопровода, слабо связаны между собой. В таких условиях каждый стержень можно рассматривать как независимый трансформатор половинной мощности. Значение расчетных сопротивлений R J принимаем 0,34 Ом. Значение расчетных индуктивностей LX,L2 принимаем 25 мГн [62, 63]. В качестве схемы замещения электровоза представляется целесообразным использовать полную схему замещения. В качестве точки контакта токоприемника ЭПС и контактного провода использован коммутирующий элемент (ключ), управляемый сигналом от внешнего источника. На электровозе ВЛ-80 установлены восемь тяговых двигателей типа НБ-418 Кб шестиполюсного исполнения с опорно-осевым подвешиванием и независимой принудительной вентиляцией. Использована схема замещения общего эквивалентного тягового двигателя, приведенного к номинальному напряжению контактной сети 25 кВ и параметрами, приведенными к напряжению первичной обмотки трансформатора [60]. Я, - сопротивление обмотки возбуждения; L4 - индуктивность обмотки возбуждения; R4 и L3 приведенные величины первичной обмотки трансформатора электровоза. RjH L5 параметры сглаживающего реактора. Схема замещения электровоза ВЛ80 показана на рис. 3.4.
В качестве точки контакта между токоприемником электровоза и контактным проводом применяется ключ, управляемый кодовой комбинацией генератора слова (word generator). Схема замещения при нарушении токосъема представлена на рис. 3.5. Данный генератор использован для моделирования серии повторных пробоев воздушного промежутка при переходе синусоиды тягового тока через нулевое значение. В эти моменты, согласно теоретическим сведения, наблюдается наибольший уровень электромагнитных помех. В зависимости от особенностей выбранного режима токосъема используются определенные двоичные
