Введение к работе
Актуальность исследования. В соответствии с «Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации» (ПТЭ) основой организации движения поездов является график движения, выполнение которого является одним из важнейших качественных показателей работы железных дорог. Соблюдение графика осуществимо при взаимосвязанной и слаженной работе комплекса электротехнических систем железнодорожного транспорта. На электрифицированных железных дорогах ходовые рельсы являются обратным элементом тягового электроснабжения, а также естественным заземлителем, с присоединением на рельсовую нить опор контактной сети. Вместе с тем рельсы используются в системах железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) для регулирования движения поездов на перегоне при автоблокировке, образуя из рельсовых цепей (РЦ) блок-участки. Традиционное использование РЦ в качестве путевого датчика и телемеханического канала между сигнальными точками объясняется, прежде всего, возможностью контроля целости рельсов для обеспечения безопасности движения. Разнообразие функций, выполняемых рельсовыми линиями на электрифицированных железных дорогах, ужесточает требования обеспечения надежности систем автоматики при внешних воздействиях со стороны рельсовых цепей.
В летние сезоны характерно увеличение числа отказов вследствие грозовой активности этого периода времени года. Прямые и индуктированные удары молнии в контактную сеть сопровождаются перекрытием ее изоляции и пробоем искровых промежутков роговых разрядников, что ведет к возникновению грозовых перенапряжений в рельсовых цепях. При этом проведение защитных мероприятий должно обеспечить работоспособность систем автоматики согласно п. 6.50 «ПТЭ». Однако существующие защитные мероприятия не всегда показывают свою эффективность, поскольку не учитывают изменения в верхнем строении пути, обусловленные укладкой разделительного слоя из полимерных материалов, а также отсутствует адекватный критерий выбора устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) для установки в рельсовых цепях.
Разработка мер по повышению эффективности работы систем автоматики от грозовых разрядов является составной частью реализации курса «Система управления и обеспечения безопасности движения поездов» Стратегического направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД»), о чем неоднократно отмечалось на заседаниях научно-технического совета ОАО «РЖД».
Целью диссертационной работы является совершенствование методики расчета грозовых перенапряжений и критерия эффективности устройств защиты системы автоматики электрифицированных железных дорог.
Для достижения цели требуется решить следующие задачи:
-
Провести анализ существующих схем и принципов защиты от перенапряжений аппаратуры автоматики со стороны рельсовых цепей.
-
Разработать методику определения распределения грозовых волн тока и напряжения по рельсовым нитям с учетом наличия в верхнем строении пути разделительного слоя из полимерного материала, а также совершенствовать методику определения импульсного сопротивления рельсовой колеи, учитывающей различия временных форм импульсных воздействий и параметры участков.
-
Провести экспериментальные исследования по определению адекватности разработанной методики на участках железных дорог с уложенным разделительным слоем из полимерного материала в верхнем строении пути.
-
Усовершенствовать критерий эффективности используемых устройств защиты от перенапряжений (УЗИЛ) на базе варисторов с учетом энергетических характеристик грозовых воздействий в рельсовых цепях.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы теории электрических цепей, теории операционного исчисления и комплексного преобразования Фурье, теории вероятности и математической статистики, физического моделирования и натурные испытания.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана методика определения распределения грозовых волн тока и напряжения по рельсовым нитям участков при наличии разделительного слоя из полимерного материала в верхнем строении пути с учетом амплитудно-временных форм воздействий.
-
Разработана методика определения импульсного сопротивления рельсового пути с учетом временных параметров воздействующей волны и наличия разделительного слоя из полимерного материала в верхнем строении пути на участке, и предложено определение входного сопротивления в спектре частот, позволяющее учесть только параметры участка.
-
Усовершенствована методика оценки эффективности У ЗИП на базе нелинейных сопротивлений, в основе которой положен критерий предельной энергетической пропускной способности по стабильности классификационного напряжения от величины приведенной энергии импульсных воздействий, эквивалентных фактически существующим в рельсовых нитях.
Достоверность научных положений обусловлена корректностью исходных математических положений, обоснованностью принятых допущений, подтверждена результатами экспериментальных исследований.
Практическая значимость заключается в следующем:
-
Определены входное сопротивление в спектре частот и импульсное сопротивление рельсовых нитей при наличии разделительного слоя из полимера в верхнем строении пути.
-
Предложен критерий выбора УЗИП на базе оксидно-цинкового варистора для защиты от грозовых перенапряжений со стороны рельсовых цепей, основанный на предельной энергетической пропускной способности по стабильности классификационного напряжения, который позволит при проведении испытаний выявить его эффективность по совместимости УЗИП с существующими воздействиями.
-
Предложен эксплуатационный критерий эффективности УЗИП, позволяющий при приемлемом уровне точности перейти к инженерному расчету без применения комплекса математических программ за счет упрощения обработки результатов импульсных испытаний, что даст возможность внедрить генераторные импульсные установки в эксплуатационные условия.
На защиту выносится:
1. Расчетная модель воздействия тока грозового разряда в контактную сеть с переходом в рельсовую нить и определение распределения амплитудно-временных параметров тока и напряжения по рельсовым нитям с учетом наличия в верхнем строении пути разделительного слоя из полимерного материала;
2. Методика определения импульсного сопротивления рельсовой колеи с учетом различий амплитудно-временных форм воздействий и параметров участков и переход к входному сопротивлению в спектре частот.
3. Усовершенствованный критерий эффективности УЗИП «ограничивающего типа» на основе нелинейных сопротивлений по их предельной энергетической пропускной способности, определяемый стабильностью классификационного напряжения от величины приведенной энергии или заряда.
Реализация результатов работы. Проверка адекватности разработанных методик, технических решений и мероприятий проводилась в эксплуатации на Западно-Сибирской железной дороге и в лабораторных условиях. Результаты диссертационной работы в части методики оценки эффективности УЗИП на основе оксидно-цинковьгх варисторов используется в ремонтно-технологическом участке Омской дистанции сигначизации, централизации и блокировки. Основные теоретические положения диссертационной работы используются в учебном процессе ОмГУПСа для специальностей 190401 «Электроснабжение железных дорог» и 190402 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», а также курсов повышения квалификации с отрывом от производства для специалистов железнодорожного транспорта. Использование результатов диссертационной работы подтверждается актами внедрения.
Аппробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» (Казань, 2009); на VII Международной научно-практической конференции «Trans-Mech-Art-Chem» (Москва, 2010); на Международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» при научно-образовательном форуме «ТРАНСВУЗ-2010» (Омск, 2010); на третьей Российской конференции по заземляющим устройствам (Новосибирск, 2008); на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов с международным участием, посвященной 150-летию со дня рождения А. С. Попова и 114-й годовщине Дня радио «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2009); на III Всероссийской научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» (Самара- Пенза, 2010); на VII Межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - транспорту» (Екатеринбург, 2009); на XI Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2010); на Юбилейной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития специальных систем радиосвязи и радиоуправления» (Омск, 2008); на технических семинарах и расширенных заседаниях кафедр ОмГУПСа, МИИТа, УрГУПСа и ОмГТУ.
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 12 научных работ, в том числе две статьи из списка изданий, определенных ВАК Ми-нобрнауки России и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Основной текст работы изложен на 161 листе машинописного текста, в том числе включает 8 таблиц и 76 рисунков. Библиографический список содержит 154 источника.
