Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние устройств электрической тяги на устройства СЦБ 7
2. Локомотив как источник помех 20
2.1. Исследование гармоник, регистрируемых на локомотиве 23
2.2. Исследования гармоник, зарегистрированных на подстанции 31
2.3. Исследования гармоник, регистрируемых в пути 36
2.4. Исследования характеристик импеданса 45
Резюме 49
3. Резонансные явления в контактной сети 50
3.1. Теоретическое определение условий возникновения резонансных явлений. 50
3.1.1. Контактная сеть, как длинная линия бесконечной протяженности 50
3.1.2. Результаты расчетов распределения напряжения в контактной сети для обследуемых участков 53
3.2. Моделирование резонансных явлений в контактной сети, представленной как цепь четырехполюсников типа П - с фильтром или без него 56
3.2.1. Имитационные вычисления напряжений вдоль замкнутой в конце контактной сети 56
3.2.2. Имитирование резонансов в контактной сети в городе Жмигруд для разомкнутого и замкнутого состояния контактной сети 57
3.3. Экспериментальная проверка результатов моделирования резонансных явлений в контактной сети 68
3.3.1. Результаты измерений напряжения на Опытном кольце в городе Жмигруд 68
3.3.2. Результаты измерений тока на опытном кольце Жмигруд 71
Резюме 73
4. Исследования условий суммирования помех 74
4.1. Определение статистической модели суммирования помех 74
4.1.1. Вероятностное моделирование задачи 74
4.1.2. Определение распределения результирующего вектора нескольких двухмерных векторов 76
4.1.3. Выбор распределения для компьютерного анализа 84
4.1.4. Компьютерная модель суммирования помех от нескольких источников на одном участке энергоснабжения 85
4.1.5. Модель, учитывающая положение поездов 89
4.2. Эксплуатационные измерения суммирования помех 93
4.2.1. Цель, объем, условия и программа эксплуатационных испытаний 93
4.2.2. Измерения по стороне сильных токов 94
4.2.3. Измерения по стороне слабых токов 96
4.2.4. Исследования в условиях эксплуатации 98
4.2.5. Анализ результатов исследований 101
4.2.6. Результаты исследований 102
Резюме 104
5. Метод определения допускаемых параметров помех для устройств СЦБ 104
5.1. Чувствительность устройств сигнализации, централизации и блокировки 106
5.2. Выбор критериев оценки помех 108
5.3. Условия суммирования помех 110
5.4. Оценка помех 112
5.5. Число поездов на межподстанционном участке 115
6. Допускаемые параметры помех 116
6.1. Восприимчивость устройств СЦБ к помехам 116
6.2. Анализ устройств СЦБ, применяемых в ПКП, по устойчивости к помехам 117
6.2.1. Рельсовые цепи, эксплуатируемые в ПКП 117
6.2.2. Устройства контроля торможения поезда КНР 121
6.3. Исследования помехоустойчивости устройств СЦБ 122
6.3.1. Испытания восприимчивости устройств СЦБ в лабораторных условиях 124
6.3.2. Эксплуатационные испытания восприимчивости устройств СЦБ 140
6.4. Разработка нормативов обеспечения электромагнитной совместимости рельсовых цепей с ЭПС нового поколения 152
6.4.1. Принципы вычисления 152
6.4.2. Электроподвижной состав 159
6.5. Значение допускаемых параметров мешающих токов 161
6.5.1. Устройства СЦБ 161
6.5.2. Электроподвижной состав 162
6.5.3. Статические вагонные преобразователи 162
Заключение 167
Список использованной литературы 170
Приложения 177
- Влияние устройств электрической тяги на устройства СЦБ
- Исследования гармоник, зарегистрированных на подстанции
- Моделирование резонансных явлений в контактной сети, представленной как цепь четырехполюсников типа П - с фильтром или без него
- Эксплуатационные измерения суммирования помех
Влияние устройств электрической тяги на устройства СЦБ
Под понятием помех в устройствах сигнализации, централизации и связи подразумевается наличие на входе приемников устройств СЦБ кроме рабочего сигнала таких токов и напряжений, которые могут вызывать неправильное функционирование устройств. В зависимости от уровня, частоты и продолжительности воздействия помех неправильное функционирование можно разделить на: - мешающее, т.е., когда сохранены условия безопасности и результатом влияния помех является ограничение пропускной способности, например, железнодорожной линии или дополнительное внеплановое торможение поезда (энергетические потери); - опасное, т.е., когда не сохраняются условия безопасности (например, на путевом сигнале вместо красного появляется свет позволяющий продолжать движение). Из-за появления потенциальной возможности крушения такая ситуация недопустима. Механизм возникновения помех в устройствах СЦБ, по классической формулировке следующий: Источники помех := рабочее тело проникновения = объект, подверженный влиянию помех Источниками помех для устройств СЦБ являются: - локомотивы, - тяговые подстанции, - статические вагонные преобразователи, - другие устройства СЦБ, - энергоснабжение устройств СЦБ. Влияние помех на устройства СЦБ может быть: - гальваническое, - индуктивное, - емкостное.
Помехи имеют самое большое влияние, когда оно является гальваническим. При рассмотрении устройств СЦБ такое влияние существует для рельсовых цепей, потому что рабочий сигнал рельсовой цепи и мешающие токи от устройств электрической тяги, протекают по одной и тот же цепи.
Индуктивные помехи создаются только в случае возникновения определенных положительных условий. Это может произойти, когда кабели, передающие информацию, - протяженные и расположены на небольшом расстоянии от источника помех, которыми может быть контактная сеть. По опыту не наблюдалось никакого влияния такого типа помех на устройства СЦБ.
Из-за того, что устройства сигнализации, централизации и блокировки расположены вблизи ж.д. пути, в том числе часть из них непосредственно соединена с рельсовыми нитями (обратной тяговой сетью) существует опасность гальванического влияния тяговых токов.
В тяговой цепи имеют место резонансы, увеличивающие значения токов или напряжений в контактной сети.
В тяговой цепи выделяются синхронные (резонансные) источники гармонических составляющих, например, тяговые подстанции, и асинхронные источники, к которым принадлежат тяговые поезда (ЭПС) с преобразователями и вагоны со статическими преобразователями. Их гармоники и рабочие частоты могут, в большей или меньшей степени, отличаться между собой и от частот, генерируемых тяговой подстанцией. Это существенно влияет на способ суммирования данных составляющих в контактной сети и, следовательно, на способ суммирования и значение помех на стороне устройств слабых токов. Существует возможность появления так называемого „явления биения" переменной составляющей тягового тока, что может привести к помехам в системах низкой частоты, например в системах СЦБ.
Важным вопросом является разработка метода, определяющего мешающий ток, испускаемый тяговым поездом в сеть.
Разработка такого метода требует проведения ряда исследований, что следует из: незнания правил суммирования мешающих токов от разных источников,- многообразия усройств СЦБ, многопараметрической зависимости системы: питающая сеть, обратная цепь, кабельная сеть, многообразия применяемых на ГЖП устройств подвергающихся помехам.
Для вычисления допустимых параметров помех необходимо подробно знать спектр мешающего тока в определенном месте электрической структуры и размер каждой линейной частоты.
Амплитуды переменных составляющих, генерируемых подстанциями и ЭПС, меняются в функции времени и зависят от: режима пуска, мощности поездов, находящихся на участке влияния, места поезда на маршруте, количества поездов, электрического состояния устройств питания тяги, электрического разнообразия поездов (например, различные частоты работы преобразователей поездов разного типа) и разных режимов их работы.
Новый подвижной состав (со значительно большей мощностью), с точки зрения электромагнитной совместимости, качественно отличается от традиционного. Локомотивы оборудованы полупроводниковыми устройствами регулировки пуска, ведения поезда и торможения, а вагоны оборудованы статическими преобразователями, в которых также использованы полупроводники. Кроме бесспорной пользы от применения полупроводниковых регуляторов на ЭПС и вагонных преобразователях, однако, это вызвало увеличение помех, генерируемых контактной сетью, в железнодорожной связи, устройствах СЦБ, а также в общей сети связи, особенно в сетях дальней связи, проложенных в сфере воздействия электрической тяги. Это вызвало необходимость принятия предохранительных мер как на стороне тяги в виде электрических фильтров, смонтированных на влияющей стороне, так и на стороне слабых токов (СЦБ, связь и др.).
Исследования гармоник, зарегистрированных на подстанции
Измерения проводились по строго определенному графику, которым учитывались разные режимы работы подстанции, разные режимы работы локомотива (один или два преобразователя), разные скорости локомотива (также пуск), разные конфигурации контактной сети. Измерительная система для регистрации гармонических составляющих тягового тока во время поездок испытуемых локомотивов с полупроводниковыми преобразователями (типа EU11) и резисторных локомотивов на экспериментальном участке показана на рисунках 2.16. и 2.17. Методика испытаний заключалась в синхронной регистрации гармонических составляющих тягового тока на месте и в движении испытуемого локомотива. Анализ спектра гармоник тягового тока от локомотивов EU11 и EU07 был проведен при помощи измерительной схеме, представленной на рисунке 2.3. Ниже на рисунках с 2.18 по 2.23 проиллюстрированы примерные тесты с локомотивами EU11 и EU-07. Тесты были избраны по критерию уровня и характера помех. Результаты представлены в виде диаграмм, полученных из анализа хода переменной составляющей тягового тока за время 10 мс для диапазона частот 0-24 кГц каждые 100 Гц . Анализ был проведен для максимального значения обратного тягового тока в каждом тесте (с 800 - 2000А постоянной составляющей). Регистрация гармоник обратного тягового тока в пути скоростной магистрали СМК проводилась по специально разработанной измерительной схеме (рисунок 2.26).
Измерения проводились по строго определенному графику, который учитывал разные состояния работы подстанции, разные состояния работы локомотива (один или два преобразователя), разные скорости локомотива (также пуск), разные конфигурации контактной сети. Анализ спектра гармоник тягового тока от локомотивов EU11 и EU07 был проведен при помощи измерительной системы, представленной на рисунке 2.3. Ниже на рисунках с 2.27 по 2.38 проиллюстрированы примерные тесты с локомотивами EU11 и EU-07. Тесты были избраны по критерию уровня и характера помех. Результаты представлены в виде диаграммы, полученной из анализа хода переменной составляющей тягового тока во времени 10 мс для диапазона частот 0-24 кГц каждые 100 Гц .
Анализ был проведен для максимального значения обратного тягового тока в каждом тесте (с 800 -2000А постоянной составляющей). Для резисторного локомотива были проведены исследования характеристики его импеданса в функции частоты. Вопрос заключался в том, чтобы наглядно определить затухание отдельных гармоник помех, возникающих как от тяговой подстанции, так и локомотива с полупроводниковым преобразователем. Измерения входного импеданса проводились по измерительной схеме, показанной на рисунке 2.39; способ соединения испытуемого объекта с измерительной системой представлен на рисунке 2.40. Для испытаний были избраны два локомотива с реостатным пуском: - универсальный локомотив EU - 07, - скорый локомотив ЕР - 09. Во время измерений контроллер движения локомотива был установлен в позиции при параллельном соединении тяговых двигателей. Полученные значения входного импеданса представлены в виде графиков 2.41, 2.42. Для тяговой подстанции были проведены исследования характеристики ее импеданса в функции частоты. Вопрос заключался в том, чтобы наглядно определить затухание отдельных гармоник помех, возникающих как от локомотива с полупроводниковым преобразователем, так и от самой тяговой подстанции. Измерения входного импеданса проводились по измерительной схеме показанной на рисунке 2.39. Импеданс подстанции измерялся на сборных шинах постоянного тока, при отключенных энергоснабжающих линиях. Результаты представлены графически на рис. 2.43.
Моделирование резонансных явлений в контактной сети, представленной как цепь четырехполюсников типа П - с фильтром или без него
Для определения уровней напряжений в избранных пунктах контактной сети было проведено компьютерное моделирование с помощью программы NAP2. Для этого была построена модель контактной сети как цепи четырехполюсников типа П, которая представлена на рис. 3.4.
В модели учитывались удельные параметры R, L, С контактной сети а также удельные параметры фидеров питания и отсасывающего кабеля. Для каждой частоты были приняты соответствующие параметры четырехполюсников. Имитация проводилась для следующих удельных параметров (измеренных для этой цели): Контактная воздушная сеть была безрезистивно замкнута с рельсом в конце модели участка. На рис. 3.4 представлена упрощенная схема модели, в которой обозначены точки определения уровней напряжений. Упрощенная модель контактной сети Для сравнения полученных результатов моделирования с результатами измерений значение влияющего тока было принято на основе измерительных данных, помещенных в таблице 3.3. Результаты, полученные при моделировании, помещены в таблице 3.4. На основе построенной модели контактной сети с учетом удельных параметров R, L, С проводились вычисления с помощью программы NAP2 на компьютере PC. Модель составляют десять четырехполюсников типа П, имитирующих определенные участки контактной сети, индуктивность тяговой подстанции; фильтр подстанции. Схема модели представлена на рис. 3.5. Вычисления по модели проводились для ее нескольких конфигураций: ? с фильтрами подстанции и без них; ? участок, питаемый односторонне и участок, питаемый двухсторонне; ? тяговый поезд (токовое воздействие (1 А) с переменной частотой (0-КЗО кГц) находится в конце и по середине испытуемого участка. В модели принято, что на участке энергоснабжения находится один тяговый поезд.
Моделирование проводилось для следующих параметров модели (см. таблицу 3.5). Из приведенных данных испытаний на моделях следует, что для системы сети одностороннего питания с включенным фильтром подстанции (рис. 3.6 - 3.9) в системе питания возникают резонансные частоты 7.2 кГц и 20.9 кГц, соответствующие им кратности составляют 11.4 и 9.14 для локомотива в конце участка, а также 7.3 и 7.9 - для локомотива по середине участка. В подобном случае с отключенным фильтром подстанции (рис. 3.10 - 3.13) выступают резонансные частоты 4.9 кГц, 9.0 кГц и 21.8 кГц, кратность которых составляет 13.2, 9.9 и 11.3 для локомотива в конце участка, а также 10.9, 4.5 и 10.4 для локомотива по середине участка. Для системы участка, двусторонне питаемого с включенным фильтром подстанции (рис. 3.14 - 3.17), в системе питания возникает резонансная частота 13.4 кГц и кратностьі.0 для локомотива в конце участка, а также 8.2 для локомотива по середине участка. В аналогичным случае, но с отключенным фильтром подстанции (рис. 3.18 -3.21), в системе питания возникают резонансные частоты 5.2 кГц и 16.4 кГц, кратность которых составляет соответственно 5.9 и 2.1 для локомотива в конце участка а также 7.4 и 9.7 для локомотива посередине участка. Резонансные частоты зависят от способа энергоснабжения и длины участка, а амплитуды - от местонахождения поезда.
В случае одностороннего питания с одним локомотивом, которое имеет место на Опытном кольце, возникает резонанс в диапазоне 5-9.4 кГц для частоты 7.2 кГц. В случае двухстороннего питания резонанс передвигается к 13.4 кГц и выступает в диапазоне 13.2-13.6 кГц. Измерения проводились на Опытном кольце в городе Жмигруд. Испытуемая сеть была выключена и отключена от постоянного тока 3000 В. Затем на одном конце (т.е. на тяговой подстанции посредством кабеля питания и разъединителя 310 (приложение 1)) избранный участок сети был снабжен синусоидальным током с управляемой частотой при помощи вызывающей системы генератор-усилитель. В другом конце (т.е. на секционном выключателе 203 (приложение 1)) было проведено гальваническое соединение воздушной контактной сети и обратной цепи. Вдоль испытуемого участка контактной сети двигалась автодрезина с двигателем внутреннего сгорания, что облегчало измерения напряжений между контактной сетью и обратной цепью в избранных точках. Из этого вытекает, что испытания продолжались в функции времени и пути (расстояния). Благодаря радиосвязи возможной была синхронизация измерений. Измерения распределения напряжения в контактной сети в функции частоты Для проверки результатов вычислений, проведенных на основе модели, приведенной в пункте 3.2. настоящей работы, были проведены измерения распределения напряжения в функции частоты вдоль замкнутого в конце участка контактной сети. Замыкание контактной сети с обратной цепью осуществлялось около выключателя 203, т.е. на 1,709-ом км. Длина замкнутого участка составляла 5,430 км. Измерения напряжения проводились на 3 -ем км (таблица 3.6.), на 4 -ом км (таблица 3.7.), на 5-ом км (таблица 3.8.) и на 6-ом км (таблица 3.9.). Данный выше километраж выключателя, измерительных пунктов и длина замкнутого участка соответствуют схеме секционирования контактной сети, представленной в приложении 1.
Эксплуатационные измерения суммирования помех
Измерения проводились для выяснения, как суммируются гармоники тягового тока, генерируемые многими источниками.
С целью достигнуть ранее полученных результатов следует провести эксплуатационные измерения на выделенном участке ж.д. линии, по которому осуществляется движение определенного количества тиристорного ЭПС с вагонами со статическими тиристорными преобразователями. На участке должна существовать возможность одно-или двухстороннего питания, а контактная сеть должна быть выделенной секционными выключателями. Измерительные поездки должны быть проведены в разных системах питания с разным количеством единиц ЭПС и вагонов (поездов) в разных местах участка. Регистрация переменных составляющих тягового тока должна проводиться по описанным выше измерительным схемам.
Кроме регистрации переменной составляющей на ЭПС и в контактной сети должен регистрироваться переменный ток в путевых рельсовых цепях. Измерения должны проводиться на выделенном участке линии, на котором могут находиться только поезда, применяемые для исследований. Во время измерений должны быть регистрированы следующие величины: - значение переменной составляющей тягового тока, - значение постоянной составляющей тягового тока. Измерения мешающих токов должны проводиться в следующих пунктах: - тяговая подстанция (подстанции), - тяговые поезда, - устройства СЦБ. Измерения следует проводить во время поездки (пуска) - одного тиристорного поезда, - двух, трех или больше тиристорных поездов (или вагонов со статическими преобразователями). Следует провести измерения при сглаживающих устройствах на тяговой подстанции как включенных, так и выключенных. На рис. 4.21. изображено размещение измерительных пунктов на стороне сильных токов. Рекомендуется синхронизация проведения измерений в каждой точке (начало измерений должно фиксироваться). По принципам безопасности измерение должно проводиться путем включения измерительного безиндукционного шунта в шину, а измерительная аппаратура должна выделяться изолирующим трансформатором. На рис. 4.23 представлена система регистрации тягового тока в ЭПС. Безиндукционный измерительный шунт должен включаться в силовую цепь со стороны "земли" таким образом, чтобы через него протекал весь тяговый ток, потребляемый ЭПС. Измерения помех на стороне слабых токов (в устройствах СЦБ) должны синхронизироваться с измерениями на стороне сильных токов (использование одной метки времени или начала регистрации). Рекомендуется для сокращение объема регистрации помех в устройствах СЦБ ограничиваться измерениями в рельсовой цепи, как наиболее подвергающейся влиянию электрической тяги. Измерения помех должны проводиться вблизи тяговых подстанций, учитывая наибольшее влияние ЭПС на рельсовые цепи в этой зоне. Система измерений помех в бесстыковых рельсовых цепях изображена на рис. 4.24. Рекомендуется проводить регистрацию переменной составляющей тягового тока и значение мешающего напряжения на входе приемника рельсовой цепи. Зарегистрированные величины тягового тока и напряжения используются при оценке способа суммирования помех. Эксплуатационные испытания были проведены на 13 км участке однопутной линии, питаемым напряжением 3 кВ постоянного тока. Во время измерений контактная сеть на исследуемом участке была выделена секционным разделителем и питалась односторонне от тяговой подстанции. Во избежание помех от других поездов контактной сети во время испытаний на участке находились одни исследуемые ЭПС и пассажирские вагоны. Измерения проводились на стороне электрической тяги, а также- устройств СЦБ. На стороне электрической тяги велись измерения: - на двух локомотивах, - на четырех пассажирских вагонах, - на тяговой подстанции. На стороне электрической тяги измерялись следующие величины: На тягбвой подстанции: - сила переменной составляющей тока в цепи тягового тока, - сила постоянной составляющей тягового тока. На тяговой подстанции измерения проводились путем измерения падения напряжения на безиндукционном шунте, включенном в обратную цепь в выделенном 6-ти пульсовом выпрямительном агрегате исследуемого участка ж.д. линии. Измеряемые значения переменной составляющей тока регистрировались на магнитографе фирмы Bruel & Kjaer типа 7005.
На локомотивах измерялись переменные составляющие постоянного тока в цепи тягового тока посредством падения напряжения в безиндукционном шунте, включенном последовательно в силовую цепь со стороны обратной цепи. Результаты регистрировались на магнитофоне фирмы Racal. Для текущего контроля хода измеряемых переменных составляющих принимались осциллографы.
На пассажирских вагонах измерялась переменная составляющая тока, принимаемого от контактной сети для питания вагонов, посредством измерительной головки фирмы Tektronix типа СТ4/А6302/АМ503. Результаты регистрировались на магнитофоне фирмы Racal.
