Модели, методы и средства защиты электронных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от опасных электромагнитных воздействий (15.07.2011)

Автор: Манаков Александр Демьянович

На железных дрогах:

Дальневосточная ж. д. - филиал ОАО «РЖД» – Рекомендации по защите устройств СЦБ от перенапряжений «ШЦ – 37/4» от 12 апреля 1988 г., служба Ш ДВ ж. д. Защита вводов питания и аппаратуры рельсовых цепей на основе бесконтактного коммутатора тока;

Дальневосточная ж. д. - филиал ОАО «РЖД», в 1997 г. изготовление и поставка 100 шт. приборов «Защитный многофункциональный ключ тиристорный – «ЗАМОК-Т» для Тындинской дистанции сигнализации, которые используются для защиты вводов питания и аппаратуры рельсовых цепей в устройствах ПОНАБ, ДИСК и КТСМ;

Забайкальская ж. д. - филиал ОАО «РЖД», в 2000 - 2001 г. г. разработка, изготовление и поставка 20 шт. приборов - фильтр сетевой ввода питания релейных шкафов (ФСРШ);

Дальневосточная ж. д. - филиал ОАО «РЖД», в 2002 г. изготовление и поставка 12 шт. приборов ФСРШ ;

Дальневосточная ж. д. - филиал ОАО «РЖД», проведение исследования и определение параметров намоточных электростатических экранов трансформаторов типа ОМ, правильный выбор которых позволяет значительно снизить градиенты перенапряжений внутри обмоток трансформатора. По разработанной методике за период с июня 2006 г. по октябрь 2010 г. в Дорожных электротехнических мастерских проведены работы по ремонту трансформаторов типа ОМ в количестве 280 шт.

На объектах связи:

ОАО «Даль Телеком Интернэшнл», г. Хабаровск, в 1997 г. разработка, изготовление и поставка 2 шт. приборов - трёхфазные защитные блоки на основе устройств «ЗАМОК-Т», предназначенные для защиты от перенапряжений цепей питания станций сотовой связи DAMPS и коммутационной станции 5ESS.

В метрополитене:

Метрополитен г. Санкт – Петербург. Технические предложения по обеспечению электромагнитной совместимости электропоездов и рельсовых цепей при увеличении мощности подвижного состава. Стандарта предприятия «Нормы опасных и мешающих влияний помех на устройства СЦБ Петербургского метрополитена. Тональные рельсовые цепи».

В учебных заведениях:

Материалы диссертации использованы при прочтении курса лекций «Защита устройств СЦБ от опасных электромагнитных влияний» на факультете повышения квалификации работников железных дорог в Дальневосточном государственном университете путей сообщения (ДВГУПС).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были доложены на международных конференциях и симпозиумах: Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии на железнодорожном транспорте», 1998, ДВГУПС, г. Хабаровск; Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция «Новые технологии железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств», 2000, ОмГУПС (ОмИИТ), г. Омск; Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция «Информационные технологии в системах управления на железнодорожном транспорте»», 25-26 марта 2004, ДВГУПС, г. Хабаровск; 6-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 21 – 24 июня 2005, г. Санкт-Петербург; 2-ая Международная научно-практическая конференция «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте», «Транс-ЖАТ - 2005», 11-14 октября 2005, ОК «Дагомыс», г. Сочи; 3-я Международная научно-практическая конференция «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте», «Транс-ЖАТ - 2006», 23-26 августа 2006, г. Санкт – Петербург; Первая Российская конференция по молниезащите, 26 – 30 ноября 2007, г. Новосибирск; VIII Международный салон инноваций и инвестиций, ВВЦ, Москва, 2008 («ЗАМОК-Т» награждён бронзовой медалью); XIII Международная выставка-конгресс «Высокие технологии, Инновации, Инвестиции», Петербургская техническая ярмарка, 11 – 14 марта 2008 («ЗАМОК-Т» награждён дипломом второй степени с вручением серебряной медали); Вторая Российская конференция по молниезащите, 22 – 24 сентября 2010, г. Москва; Конференция «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте (Москва, ЦВК «Экспоцентр», 10 ноября 2009 г.).

Кроме того, результаты диссертации докладывались на, региональных и отраслевых конференциях, а также - на научно-технических советах Департаментов ЦТех и ЦШ, на сетевой школе во Владивостоке в 2002 г., на сетевой школе в Санкт-Петербурге в 2010 г. (всего 18 докладов).

Диссертационная работа обсуждалась и получила одобрение на расширенных заседаниях кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» ПГУПС в марте 2008 г. и ноябре 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 43 печатные работы, из них 11 работ - в рецензируемых изданиях, рекомендованных по перечню ВАК РФ для опубликования материалов докторских диссертаций и приравненных к ним, один патент на устройство и два авторских свидетельства на изобретение, а так же - два нормативных документа и курс лекций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, библиографического списка из 224 наименований и 7 приложений. Работа содержит 381 страницу основного текста, 154 иллюстрации и 46 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приводится краткий обзор состояния основных вопросов, сформулированы цель и задачи исследования, представлена краткая характеристика разделов диссертации, показана научная новизна проведённых исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрены особенности построения и условий эксплуатации систем ЖАТ, являющихся системами управления ответственными технологическими процессами движения поездов и обеспечивающих безопасность. Проведён анализ отказов устройств ЖАТ и широко распространённых трансформаторов электропитания типа ОМ от грозовых перенапряжений. Рассмотрены процессы опасного электромагнитного воздействия тяговой сети переменного и постоянного тока на устройства рельсовых цепей и резервные вводы питания по системе «два провода – рельс». Выполнен анализ состояния защиты устройств ЖАТ от перенапряжений (ПН).

Во втором разделе. Сформулированы задачи теории ЭМСТ электронных устройств ЖАТ на современном этапе. Рассмотрены методы исследования ОЭМВ на устройства ЖАТ. Обосновано применение математического моделирования для исследования каналов проникновения энергии ОЭМВ в устройства ЖАТ и создание систем защиты. Приводится анализ методов расчёта сложных электрических схем и обосновывается применение метода переменных состояния. Разработан метод исследования ОЭМВ на устройства ЖАТ.

При исследовании ОЭМВ на системы ЖАТ используют эксперименты на реальных объектах, физическое и математическое моделирование.

Исследование на реальных объектах воздействия молнии - трудно реализуемая задача, так как грозовой разряд является неуправляемым процессом. Генераторы, имитирующие разряд молнии, являются уникальными сооружениями. Испытания на таких генераторах связаны с большими материальными затратами и трудны в плане организации проведения. При таких экспериментах ограничено пространство изменяемых параметров испытываемых систем.

При создании коротких замыканий в тяговой сети с помощью экспериментов можно получить точные результаты исследования, но их проведение связано с задержками поездов и нарушением работы устройств ЖАТ.

Исследование на физической модели позволяет сэкономить значительные средства, но его недостатком является то, что процессы, происходящие в модели, будут неадекватны процессам на реальном объекте из-за нелинейности характеристик объекта, что приводит к большим погрешностям.

Математическая модель представляет собой уравнения и соотношения, описывающие электромагнитные процессы, протекающие в объекте исследования. Метод математических моделей выступает как наиболее приемлемый с точки зрения материальных затрат и высокой точности. Такой метод при исследовании может существенно расширить пространство изменяемых параметров электромагнитных воздействий (форма действующего импульса, амплитуды тока и напряжения и др.) и устройств ЖАТ. Одним из главных условий применения математических моделей является оценка её адекватности.

В электрической цепи процессы перехода из одного режима в другой, происходящие во времени, связаны с изменением ее энергетического состояния. Переменными, характеризующими запас энергии в цепи, могут быть токи в индуктивных элементах и напряжения на емкостных элементах, которые называются переменными состояния.

Если заданы начальные значения переменных состояния x(t) и известны независимые источники тока и напряжения u(t), то по следующей системе уравнений:

, (2)

определяются: вектор напряжений и токов нереактивных элементов – y(t), а также - напряжения на индуктивностях и токи через емкости для начального момента времени. При решении дифференциального уравнения (1) определяются значения переменных состояния, т. е. вектор x(t) для конца определенного интервала времени, называемого шагом интегрирования. Полученное значение вектора x(t) принимается как начальное значение для следующего шага интегрирования. Далее операции повторяются заданное число раз.

Алгоритм метода переменных состояния базируется на топологической матрице контур-ветвь (F-матрице). При методе переменных состояния пользуются уравнениями токов и напряжений Кирхгофа, выраженными через F-матрицу:

; (3)

, (4)

где UC(t), IC(t) – векторы напряжений и токов связей линейного направленного графа схемы; UB(t), IB(t) – векторы напряжений и токов ветвей линейного направленного графа схемы; FT – транспонированная F – матрица.

Выразим F–матрицу через подматрицы, каждая из которых расположена в зоне пересечения столбцов и строк, соответствующих определенным типам ветвей и связей. Каждая подматрица имеет два индекса: первый соответствует типу элементов строк, а второй - типу элементов столбцов.

я RC FRE FRC FRR FRL

з LC FLE FLC FLR FLL

и JC FJE FJC FJR FJL

Для анализа схем методом переменных состояния была получена следующая система уравнений:

где GС, GВ, SС, SВ, ГС, ГВ – параметрические матрицы обратных величин сопротивлений, емкостей и индуктивностей связей и ветвей, соответственно.


загрузка...