Методы и средства защиты устройств числовой кодовой автоблокировки от опасных электромагнитных воздействий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Рахмонбердиев Абдулазиз Абдимажитович

• Рахмонбердиев Абдулазиз Абдимажитович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Рахмонбердиев Абдулазиз Абдимажитович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОПАСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ (ОЭМВ) НА УСТРОЙСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ (ЖАТ) УЗБЕКСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ОЭМВ

1.1 Анализ оснащенности перегонов акционерного общества «Узбекистан темир йуллари» системами ЖАТ

1.2 Анализ источников и каналов проникновения ОЭМВ

1.2.1 Особенности построения и условий эксплуатации устройств ЖАТ

1.2.2 Воздействие атмосферных перенапряжений на устройства ЖАТ

1.2.3 Воздействие тяговой сети переменного тока на устройства ЖАТ

1.3 Анализ методов и средств защиты устройств ЖАТ от ОЭМВ

1.4 Выводы по первой главе. Постановка цели и задач диссертации

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НАПРЯЖЕНИЕМ 25 кВ КАК ИСТОЧНИКА ОЭМВ

2.1 Методы исследования ОЭМВ на устройства ЖАТ

2.2 Аналитический обзор исследований переходных процессов в тяговой сети при КЗ контактного провода на рельс

2.3 Разработка математической модели тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ, как источника ОЭМВ

2.3.1 Математическая модель тяговой сети при воздействии аварийных

и коммутационных перенапряжений на РЦ

2.3.2 Компьютерные эксперименты переходных процессов в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ

2.4 Верификация модели тяговой сети

2.5 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 ЗАЩИТА АППАРАТУРЫ РЦ ОТ АВАРИЙНЫХ И КОММУТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

3.1 Система устройств защиты аппаратуры РЦ

3.2 Динамическая индуктивность намагничивания ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450

3.3 Методика согласования устройств системы защиты

аппаратуры РЦ

3.3.1 Математическая модель для определения энергии, рассеиваемой

на УЗИП аппаратуры РЦ

3.3.2 Алгоритм расчёта энергии, рассеиваемой на УЗИП

аппаратуры РЦ

3.3.3 Компьютерные эксперименты по определению энергии, рассеиваемой на средствах защиты аппаратуры РЦ при аварийных процессах в тяговой сети переменного тока

3.3.4 Компьютерные эксперименты по определению энергии, рассеиваемой на средствах защиты аппаратуры РЦ при коммутационных процессах в тяговой сети переменного тока

3.4 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 ВЫБОР КЗУ ПО КРИТЕРИЯМ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

4.1 Выбор КЗУ по критериям надежности

4.2 Расчет экономической эффективности при замене РВНШ-250 на КЗУ «ЗАМОК-СОТ» для защиты аппаратуры РЦ

4.3 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Документы, подтверждающие процесса

локализации ЧКАБ в Ташкентском государственном транспортном

университете на кафедре «Автоматика и телемеханика»

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Анализ повреждений устройств ЖАТ от

перенапряжений на железных дорогах АО «УТЙ»

ПРИЛОЖЕНИЕ В - Пример проектного решения сигнальной точки числовой кодовой автоблокировки на высокоскоростных участках

АО «УТЙ»

ПРИЛОЖЕНИЕ Г - Программа расчета аварийных процессов в тяговой

сети переменного тока напряжением 25 кВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д - Программа расчета энергии ОЭМВ на УЗИП

ВОЦН-110 аппаратуры РЦ с ДТ- 1МГ1

ПРИЛОЖЕНИЕ Е - Программа расчета энергии для УЗП1-500 - 0,26.... 198 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж - Программа расчета энергии ОЭМВ на УЗИП

РВНШ-250 аппаратуры рельсовых цепей с ДТ-1МГ1-450

ПРИЛОЖЕНИЕ З - Свидетельства о регистрации программного

обеспечения

ПРИЛОЖЕНИЕ И - Справки об использовании результатов диссертационного исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства защиты устройств числовой кодовой автоблокировки от опасных электромагнитных воздействий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время продолжается замена элементной базы с релейно-контактных схем на микроэлектронные в системах железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). Эти системы снижают энергопотребление, компактны, увеличивают производительность и срок службы по сравнению с релейными системами с точки зрения количества срабатываний электронных элементов. Использование микроэлектронных систем в значительной степени способствует расширению возможностей применения концепций резервирования, удаленного мониторинга, диагностики технических устройств и разработки систем с минимальными эксплуатационными расходами.

При использовании микроэлектронных устройств ЖАТ снижаются уровни рабочих сигналов и электрическая прочность оборудования, а также - токонесущая способность элементов систем ЖАТ из-за уменьшения габаритов элементов и устройств. В связи с этими факторами требуется снижать критические уровни допустимых энергий опасных электромагнитных воздействий (ОЭМВ) и мешающих электромагнитных воздействий (МЭМВ) на устройства ЖАТ на базе микроэлектронных элементов.

Перенапряжения (ПН) и сверхтоки в цепях технических средств (ТС), вызывающие их повреждение и/или разрушение (пробой изоляции, тепловое и/или динамическое разрушение), а также поражение электрической энергией обслуживающего персонала будем называть ОЭМВ.

Если напряжения и токи в цепях технических средств не вызывают их повреждения и/или разрушения, а вызывают ложное срабатывание или сбои в работе ТС, тогда такие напряжения и токи будем называть МЭМВ.

Аппаратура рельсовых цепях (РЦ), счетчики осей, путевые устройства системы автоматического управления торможением поезда (САУТ) находятся в непосредственной близости с рельсовой линией (РЛ) или гальванически связаны с ней. РЛ (обратная тяговая рельсовая сеть) используется в качестве направляющей системы, в которой проходят: обратный тяговый ток на тяговую подстанцию (ТП);

сигналы РЦ; информационные сигналы от постовых и напольных устройств на подвижной состав, например, в системах автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН), автоматического регулирования скорости (АРС) и др.

Работа устройств ЖАТ и тяговой сети взаимно связаны. Тяговая сеть в этой связи является определяющей. Коммутационные и аварийные процессы в тяговой сети создают ПН и сверхтоки в близко расположенных или гальванически связанных слаботочных электрических цепях устройств ЖАТ.

На перегонах акционерного общества «Узбекистон темир йуллари» (Узбекские железные дороги, далее АО «УТЙ») широко распространена релейная система числовая кодовая автоблокировка (ЧКАБ) (20,13% от общей протяженности), где обращаются высокоскоростные поезда «Ай^уоЬ» (250 км/ч). Устройства системы ЧКАБ работают в сложных эксплуатационных условиях, и подвержены воздействиям атмосферных ПН, аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ и в линиях электропередачи 6, 10 кВ. За период 2014-2018 гг. в системе ЧКАБ из-за ОЭМВ произошло 12 отказов. Это составляет 25% отказов от общего числа неисправностей (48 отказов) по системам ЖАТ из-за ОЭМВ. Требуется исследование причин низкой защиты устройств ЧКАБ от ОЭМВ.

Непрерывно растут затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание аппаратуры. Замена релейной системы ЧКАБ на новые перспективные системы требуется больших капитальных вложений и возможна только на участках с высокой интенсивностью движения поездов.

Предлагается модернизировать существующую систему ЧКАБ по следующим направлениям:

- постепенно и поэтапно заменить устройства ЧКАБ на основе механических и контактных схем на устройства, созданные на электронной и микропроцессорной элементной базе - электронная числовая кодовая автоблокировка (ЭЧКАБ), которые должны быть совместимыми с системой ЧКАБ, что позволит повысить надёжность и реализовать преимущества современных электронных и микропроцессорных

систем;

- исследовать причины низкой защиты устройств ЧКАБ от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ;

- разработать методы и средства защиты устройств ЧКАБ от ОЭМВ, что определяет актуальность темы диссертации.

Для создания систем устройств защиты от ОЭМВ аппаратуры ЧКАБ при электрической тяге поездов на переменном токе напряжением 25 кВ требуется знать характеристики энергии аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети, действующей на устройства ЧКАБ.

Указанные обстоятельства влекут за собой необходимость адаптации существующих и развития новых методов и средств защиты устройств ЖАТ от ОЭМВ.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам защиты устройств ЖАТ от ОЭМВ посвящены работы М.И. Вахнина, И.Г. Евсеева, В.С. Ляличева, А.С. Капуста, А.М. Костроминова, М.П. Лисовского, В.Е. Митрохина, А.Д. Манакова и других авторов.

Увеличение веса поездов, пропуск сдвоенных поездов по участку, обращение на участках высокоскоростных поездов приводят к увеличению тока в обратной тяговой сети. Для пропуска такого тока в обратной тяговой сети переменного тока производят замену дроссель-трансформаторов (ДТ) типа ДТ1-150 на ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 [117, 140]. Энергия, переданная через ДТ до его насыщения, должна быть согласована с допустимой энергией для средств защиты [72].

В настоящее время существующий метод выбора средств защиты от ПН заключается в применении типовых решений без учёта эксплуатационных особенностей устройств ЖАТ (сопротивления земли, расстояния от объекта до ТП, типа рельсов и контактной подвески при электротяге поездов, времени отключения на ТП режима короткого замыкания (КЗ) и др.). Такие разносторонние и многообразные эксплуатационные условия устройств ЖАТ можно учесть с помощью математического моделирования.

Вопросам обоснования выбора средств защиты устройств ЖАТ от ОЭМВ

посвящены работы А.М. Костроминова, В.Е. Митрохина, А.Д. Манакова [53, 71, 72, 78, 79, 85, 94].

Целью исследования является повышение защищённости устройств ЧКАБ от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели тяговой сети переменного тока для исследования влияния аварийных и коммутационных процессов в обратной тяговой сети на устройства ЖАТ, находящиеся в непосредственной близости с рельсовой линией или гальванически связанными с рельсами.

2. Разработка системы устройств защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока.

3. Разработка методики согласования устройств системы защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов.

4. Оценка эффективности применения устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) коммутирующего типа на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП) - ключевые защитные устройства (КЗУ).

5. Определение экономической эффективности замены разрядников защиты аппаратуры РЦ типа РВНШ-250 от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока на предлагаемое в работе КЗУ.

Объектом исследования является система числовой кодовой автоблокировки (ЧКАБ).

Предметом исследования являются устройства защиты аппаратуры рельсовых цепей (РЦ) от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы теории электрических цепей, математического анализа, вычислительных экспериментов, а также - экспериментальные исследования электромагнитных процессов в ДТ при определении динамической индуктивности намагничивания ДТ типа: ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450.

Научная новизна исследования заключается в следующих результатах:

1. Разработана математическая модель тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ для исследования характеристик тока короткого замыкания (КЗ), действующего на аппаратуру РЦ с учётом многообразных эксплуатационных условий участка: удалённость места КЗ от тяговой подстанции (ТП), характеристика проводов контактной подвески, тип тягового трансформатора (ТТ) на ТП, переходное сопротивление «рельс-земля» (КР-З).

2. Разработана методика и алгоритмы исследования средств защиты аппаратуры РЦ от токов КЗ в тяговой сети, которая позволяет анализировать любые средства защиты и для конкретных эксплуатационных условий выявлять участки, где анализируемые средства защиты не обеспечивают надежную защиту аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов.

3. Определено, что при КЗ и зимних условиях (сопротивление «рельс-земля» ^Р-з = 25 Ом-км) напряжение иР-З превышает допустимое напряжение для изоляции аппаратуры РЦ. С целью исключения повреждений аппаратуры РЦ при высоких сопротивлениях ЯР-З (песчаный грунт, мёрзлая земля) требуется применение устройств защиты аппаратуры РЦ от продольных («провод-земля») ПН.

Теоретическая значимость заключается в разработке моделей, алгоритмов и программ для исследования и обоснования средств защиты от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока.

1. Разработана математическая модель тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ как источник ОЭМВ на устройства, расположенные вблизи рельсов или гальванически с ними связаны, при аварийных и коммутационных процессах в тяговой сети с учётом многообразных эксплуатационных условий участка железной дороги.

2. Разработана система устройств защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов. Определены зависимости динамической индуктивности намагничивания дроссель-трансформаторов (ДТ) типа ДТ-1МГ-1-300 и ДТ-1МГ-1-450 для исследования на математических моделях ограничивающих свойств ДТ по передаче энергии ОЭМВ через магнитную связь ДТ

за счёт эффекта насыщения магнитопровода.

3. Разработана методика согласования устройств системы защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока. Для определения энергии, рассеиваемой на устройствах защиты аппаратуры РЦ, разработана математическая модель, в которой сложная схема замещения тяговой сети представляется эквивалентными параметрами для каждой полуволны тока КЗ: эквивалентной индуктивностью (£ЭКВ) и эквивалентным активным сопротивлением (Кжв). Модель позволяет анализировать любые средства защиты аппаратуры РЦ и обосновывать выбор устройств защиты для различных участков железных дорог.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

1. Исследования, проведённые на разработанных математических моделях, показали, что УЗИП ограничивающего типа (на основе варисторов) на определённых участках железных дорог рассеивают на себе не допустимые энергии и при этом будут переходить в состояние отказа. Предлагается на таких участках применять КЗУ.

2. В работе произведено сравнение КЗУ по показателю вероятности безотказной работы, которое позволяет производить выбор КЗУ с учётом его надёжности.

3. Проведены исследования по определению энергии, рассеиваемой на разрядниках РВНШ-250, применяемых на Узбекских железных дорогах для защиты аппаратуры РЦ от поперечных («провод-провод») ПН на участках с электротягой на переменном токе 25 кВ. Показано, что энергия, действующая на разрядники, превышает допустимую величину. Предложено заменить РВНШ-250 на КЗУ разработанное в диссертации - защитный многофункциональный ключ на основе симметричного оптотиристора «ЗАМОК-СОТ», которое имеет минимальное количество элементов и позволяет создавать компактные приборы защиты, располагаемые на DIN-рейке.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель тяговой сети переменного тока для исследования влияния аварийных и коммутационных процессов в обратной тяговой сети

напряжением 25 кВ на устройства ЖАТ.

2. Система устройств защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов.

3. Методика согласования устройств системы защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов.

Степень достоверности результатов подтверждается корректным использованием метода расчёта электрических цепей с нелинейными элементами -метода переменных состояния, проведённой верификацией математической модели тяговой сети переменного тока путём сравнения значения тока и фазы тока КЗ натурного и вычислительного экспериментов, которые различаются не более чем на 8%.

Реализация диссертационного исследования. Основные научные и практические результаты диссертационного исследования использованы для обоснования требований к средствам защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных ПН в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ для различных эксплуатационных условий, для учебного процесса по дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты» на кафедре «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, а также на кафедре «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» Ташкентского государственного транспортного университета при проведении лекционных, практических занятий и курсовых работ по дисциплинам «Системы управления движения на перегоне», «Микропроцессорные устройства и системы управления на железной дороге».

Личный вклад. Результаты исследования, полученные автором самостоятельно:

1. Математическая модель тяговой сети переменного тока как линии с распределёнными параметрами для исследования переходных процессов в тяговой сети.

2. Методика определения величины энергии рассеиваемой на устройстве защиты, установленном на вводе аппаратуры РЦ.

3. Зависимости динамических индуктивностей ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 от напряжения на обмотке намагничивания и скорости изменения тока намагничивания.

4. Алгоритмы и программное обеспечение для исследования переходных процессов в тяговой сети и расчёта энергии, рассеиваемой на средствах защиты аппаратуры РЦ подтверждено тремя свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2024616139, № 2024616163, № 2024616164.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных конференциях: Научно-практическая конференция магистрантов по итогам работы над диссертацией (г. Ташкент, ТашИИТ, 2010 г.); Республиканская научно-техническая конференция с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Ташкент, ТашИИТ, 2016 г., 2017 г.); Международная конференция «Цифровые инфокоммуникационные технологии» Ростов-на-Дону: РГУПС, 2021 г., а также на заседаниях кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I в период 2018-2022 гг.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликованы 10 работ в научных журналах и сборниках материалов международных и республиканских научно-практических конференций, в том числе: 3 работы опубликованы в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ; получены 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений, списка литературы из 1 45 наименований и 9 приложений. Общий объем работы составляет 211 машинописных страниц, основной текст изложен на 149 страницах, содержит 84 рисунков, 6 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОПАСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ (ОЭМВ) НА УСТРОЙСТВА ЖАТ УЗБЕКСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ОЭМВ

1.1 Анализ оснащенности перегонов акционерного общества «Узбекистон

темир йуллари» системами ЖАТ

Перегонные системы, установленные на Узбекских железных дорогах (АО «УТЙ») приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Перегонные системы, установленные на дорогах АО «УТЙ»

Общая протяженность перегонов Узбекских железных дорог составляет 4251,659 км по состоянию на 2022 год.

Перегоны Узбекских железных дорог оборудованы следующими системами:

I. Электрожезловая система (ЭЖС) - оборудованы 4 перегона протяженностью 98,1 км (2,31% от общей протяженности перегонов).

II. Полуавтоматическая блокировка (ПАБ) - оборудованы 108 перегонов с протяженностью 1639,322 км (38,56% от общей протяженности перегонов).

III. Микропроцессорные ПАБ (МПАБ) от разных производителей (всего 1057,760 км - 24,88 % от общей протяженности перегонов):

1. Система МПБ-П «Промэлектроника» с рельсовыми датчиками ЭССО -оборудованы 13 перегонов протяженностью - 249,467 км (5,87 % от общей протяженности перегонов).

2. Система МПБ-Э - EBILock-950 и МПАБ с АБП-Е ООО «Бомбардье Транспортейшн (Сигнал)», Россия-Швеция - оборудованы 23 перегона протяженностью 377,579 км (8,88 % от общей протяженности перегонов).

3. Система МПБ-ТЕГ (Трансинженеринг групп) с рельсовыми датчиками КССП «Урал» оборудованы 25 перегонов протяженностью - 322,964 км (7,6 % от общей протяженности перегонов).

4. Система МПБ-ZTE (ZTE Corporation, Китай) - оборудованы 8 перегонов устройствами МПБ-ZTE с микропроцессорными счетчиками осей JZ протяженностью - 107,75 км (2,53 % от общей протяженности перегонов).

IV. Релейная автоблокировка (31 % от общей протяженности перегонов):

1. Импульсно-проводная автоблокировка (ИПАБ) - оборудованы 36 перегонов протяженностью 462,562 км (10,88 % от общей протяженности перегонов).

2. Числовая кодовая автоблокировка (ЧКАБ) - оборудованы 77 перегонов протяженности 855,775 км (20,13 % от общей протяженности перегонов).

V. Микропроцессорная АБ (всего 138,140 км - 3,25% от общей протяженности перегонов):

1. Микропроцессорная автоматическая четырехзначная автоблокировка АБЧК-Е (Московский институт инженеров транспорта, Россия) - оборудованы 9 перегонов протяженностью 138,140 км.

Гистограмма анализа оснащенности перегонов АО «УТЙ» системами ЖАТ показана на рисунке 1.2. Из анализа оснащенности перегонов АО «УТЙ» системами ЖАТ видно, что большое количество перегонов (108 перегонов) с протяженностью 1639,322 км оборудованы ПАБ.

По анализу оснащенности перегонов на третьем месте стоит МПАБ от

разных производителей (МПБ-П, МПБ-Э, МПБ-ТЕГ, МПБ-7ТЕ), протяженностью 1057,760 км (69 перегонов).

Рисунок 1.2 - Оснащенность перегонов АО «УТЙ» системами ЖАТ

по состоянию на 2022 года

Известно, что одним из основных критериев перегона является его пропускная способность, а большую пропускную способность подвижных составов на перегоне обеспечивают системы АБ по сравнению с ПАБ.

Среди систем АБ на релейно-контактной основе на железнодорожных участках АО «УТЙ» широко распространена система ЧКАБ (оборудованы 77 перегонов протяженностью 855,775 км). Особенно нужно отметить, что системой ЧКАБ оснащены 52 перегонов на высокоскоростных участках, где обеспечивается безопасное движение высокоскоростных поездов «Afrosiyob» (максимальная скорость поезда 250 км/ч) по нескольким направлениям.

Разработка ЧКАБ велась во ВНИИЖТе с 1946 по 1948 гг. В 1984-1987 гг. на участках узбекских железных дорог интенсивно внедряли системы ЧКАБ. В настоящее время на участках АО «УТЙ» устройства ЧКАБ выработали свой ресурс, физически и морально устарели. При этом часто возникают отказы, в следствие которых снижается уровень безопасности движения поездов. Кроме этого, непрерывно растут затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание аппаратуры. Замена ЧКАБ на новые перспективные системы требуется больших

капитальных вложений и возможна только на участках с высокой интенсивностью движения поездов.

На кафедре "Автоматика и телемеханика" Ташкентского государственного транспортного университета (ТГТрУ) с 2009 года ведется процесс постепенной и поэтапной замены устройств на базе механических и релейно-контактных схем на устройства, созданные на базе микропроцессорных и микроэлектронных элементов. Таким образом, осуществляются работы по модернизации ЧКАБ (разработка ЭЧКАБ) в рамках локализации этой системы в эксплуатационных и экономических условиях Узбекских железных дорог. В частности, в рамках выполнения хоздоговора №107, заключенного в Ташкентском институте инженеров железнодорожного транспорта (нынешний Ташкентский государственный транспортный университет (ТГТрУ), а также в рамках выполнения магистерской диссертации Рахмонбердиева А.А., был создан микропроцессорный кодовый путевой трансмиттер, разработанный Азизовым А, Юлдашевым Ш.М., Фадеевым А.А., Рахмонбердиевым А.А., внедряемый на станции «Хамза» на дистанции сигнализации и связи ШЧ-1 (ПРИЛОЖЕНИЕ А). Кроме того, в рамках выполнения хоздоговора №68, заключенного в ТГТрУ, а также в рамках выполнения докторской диссертации Шакировой Ф.Ф., был разработан объединенный микроэлектронный импульсный формирователь, включающий к себе функциональные работы МТ-1, МТ-2, КПТ-5 и КПТ-7 и внедряемый также на станции «Хамза».

При локализации, существующей ЧКАБ на микроэлектронной базе или при разработке ЭЧКАБ многократно возрастает требования к методам и средствам защиты от ОЭМВ при аварийных и коммутационных процессах в тяговой сети и в электровозе.

Предлагается модернизировать ЧКАБ по следующим направлениям: продолжить замену элементов ЧКАБ на основе механических и контактных схем на устройства, созданные на электронной и микропроцессорной элементной базе и полностью совместимыми с релейной системой ЧКАБ, что позволяет повысить надёжность систем ЧКАБ и реализовать преимущества современных электронных

и микропроцессорных систем; исследовать причины низкой защищённости устройств ЧКАБ от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ; разработать методы и средства защиты устройств ЧКАБ от ОЭМВ, что определяет актуальность темы диссертации.

Необходимо отдельно подчеркнуть, что система ЧКАБ является самой распространенной системой на участках открытого акционерного общества «Российские железные дороги» (далее ОАО «РЖД»). На основе [1] было выяснено, что на участках ОАО «РЖД» в эксплуатации находится 41105 рельсовых цепей (59% от общего числа РЦ релейных АБ), включенные в систему ЧКАБ по состоянию 2017 года.

1.2 Анализ источников и каналов проникновения ОЭМВ 1.2.1 Особенности построения и условий эксплуатации устройств ЖАТ

Устройства ЖАТ выполняют функции управления движением и обеспечения безопасности движения поездов. Они располагаются на постах электрической централизации (ЭЦ), в релейных шкафах (РШ) и транспортабельных модулях, в непосредственной близости с РЛ и контактным проводом (КП) при электротяге. Высоковольтные специализированные линии с напряжением 6, 10 и 27,5 кВ установлены либо на отдельно стоящих опорах, либо на опорах контактной сети. Они предназначены для обеспечения электропитания оборудования ЖАТ, которое размещено вдоль железнодорожной линии. Устройства ЖАТ, как известно, находятся непосредственно рядом с тяговой сетью. Вследствие коммутационных и аварийных процессов в тяговой сети возникают напряжения и токи в цепях устройств ЖАТ. Эти напряжения и токи оказывают МЭМВ и ОЭМВ на ТС [73].

Если амплитуда напряжения больше верхнего предела максимально допустимого напряжения для данного элемента или изделия, то оно является ПН [56].

Если значение тока больше допустимого тока для электрического изделия (устройства), то он является сверхтоком [25].

При ОЭМВ пробиваются изоляция обмоток трансформаторов и реле, воздушных и кабельных линий. Происходят: сообщение проводов и/или соединение этих проводов с корпусом ТС, испарение рабочей поверхности элемента полупроводника (1111) (разрыв цепи), плавление кристалла 1111 элемента (КЗ цепи) [7, 86-88, 90, 97, 99, 101, 51].

Под понятием МЭМВ будем понимать воздействия, которые приводят к появлению напряжений и токов в цепях устройств ЖАТ, вызывая ложное срабатывание или сбои в их работе [7, 86-88, 90, 99-101, 51].

Стойкость ТС определяется свойством его противостояния воздействию ПН и сверхтоков [73].

Из-за действий МЭМВ и ОЭМВ есть вероятность возникновения опасных отказов систем ЖАТ. Например, возможность смены огня светофора с более запрещающего на более разрешающий, при действии напряжений и токов при МЭМВ.

Опасный отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного и защитного состояния системы [97].

Электромагнитная помеха (ЭП) - любое электромагнитное явление, которое может ухудшить качество функционирования ТС [23].

Из сравнения определений МЭМВ и ЭП следует, что по результату воздействия на ТС электромагнитная помеха равнозначна МЭМВ и приводит к сбоям в работе устройства, ухудшая качество его функционирования. Так как ОЭМВ, МЭМВ и ЭП имеют одинаковую природу (электромагнитную), то в ряде публикаций все электромагнитные воздействия называют помехами [123], не отмечая вторую половину определения - «ЭП может ухудшить качество функционирования технического средства», но не разрушить ТС [68].

С целью обеспечения нормального функционирования устройств ЖАТ необходимо обеспечить их защиту как от ОЭМВ, так и от МЭМВ.

Применение ППП в устройствах ЖАТ снижает электрическую прочность аппаратуры из-за уменьшения их габаритов и токонесущую способность приборов по причине уменьшения их объема. Это приводит к расширению

пространства ОЭМВ, действующих на ППП устройства ЖАТ, и ставит в ряд актуальных задачи анализа источников ОЭМВ и разработки методов и средств защиты от этих воздействий. Из-за повышенной стоимости устройств ЖАТ на ППП по сравнению с релейными решение задачи защиты устройств ЖАТ на ППП от МЭМВ целесообразно только при защите этих устройств от ОЭМВ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рахмонбердиев Абдулазиз Абдимажитович, 2024 год

Источник ОЭМВ

Средства защиты направления №1

Средства защиты направления №2

___/_________У*71

ДТ-1МГ1-450 ДТ-1МГ1-4501 |ИПМ-62 5П ^Кг^ ЗП I 1

Средства защиты направления №2

Канал распространения энергии ОЭМВ

ИПМ-62

ДТ-1МГ1-450

1МГ1-450

-ИПШ. 'АВМ-2

-ИПМ4 [СъЗ^

АВМ-2

АВМ-2

¡АВМ-2

ВОЦН-380

ВОЦН-380

ВОЦН-380

ВОЦН-380

Аппаратура РЦ

Аппаратура РЦ

Аппаратура РЦ

Аппаратура РЦ

Средства защиты направления №3

Средства защиты направления №3

Рисунок 3.2 - Схема распределения средств защиты в канале распространения энергии ОЭМВ

Средство защиты направления №3, устанавливаемое на вводе аппаратуры РЦ реализует метод выравнивания потенциалов (уменьшения разности потенциалов) и реализуется в виде выравнивателей - УЗИП ограничивающего типа.

Актуальной задачей исследования при создании системы устройств защиты аппаратуры РЦ от ОЭМВ является согласование средств защиты направлений №1, №2 и №3, составляющих систему защиты.

Рассмотрим последовательность работы средств защиты системы устройств защиты аппаратуры РЦ. При действии энергии ОЭМВ на аппаратуру РЦ из-за высокого быстродейсвия ^ = 10-9 сек) первоначально срабатывает средство защиты направления №3 (УЗИП на вводе аппаратуры), на котором будет рассеиваться энергия ОЭМВ до момента насыщения магнитопровода ДТ (средство защиты направления №2). В момент насыщения магнитопровода ДТ ограничивается энергия, передаваемая через магнитную связь ДТ и действующая на ввод аппаратуры РЦ. Энергия ОЭМВ действует на аппаратуру РЦ при каждом переходе напряжения переменного тока в тяговой сети через ноль - каждые 10 мс. Чем дольше время отключения быстродействующих выключателей на ТП, тем большая величина энергии будет действовать на средства защиты, установленные на вводе аппаратуры РЦ.

Задачей согласования средств защиты системы устройств защиты является определение энергии, действующей на средства защиты, установленные на вводе аппаратуры РЦ (направление №3) и сравнение этой энергии с допустимой энергией для средства защиты. Для выполнения поставленной задачи необходимо разработать методику согласования средств защиты, составляющих систему устройств защиты аппаратуры РЦ.

При разработке новых конструкций более мощных ДТ увеличивается величина потокосцепления насыщения магнитопровода и величина энергии, рассеиваемая на средстве защиты направления №3, передаваемая ДТ до его насыщения.

При расчёте передачи энергии через магнитную связь ДТ требуется

определение зависимости динамической индуктивности намагничивания от скорости изменения тока намагничивания - ^ = f (did /й() для реальных ДТ типа: ДТ1-МГ1-300 и ДТ1-МГ1-450.

При определении энергии ОЭМВ рассеиваемой на УЗИП, установленные на вводе аппаратуры РЦ с помощью компьютерных экспериментов, требуется разработка алгоритма работы программы при численном методе интегрирования дифференциальных уравнений в форме Коши.

3.2 Динамическая индуктивность намагничивания ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450

Дроссель-трансформаторы ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 применяются на участках железных дорог, где осуществляется пропуск тяжеловестных поездов. При росте веса поездов и увеличении тока в обратной тяговой сети будет идти дальнейший рост мощности применяемых ДТ. Для исследования на математических моделях ограничивающих свойств ДТ в работе определены зависимости динамической индуктивности намагничивания ДТ от скорости изменения тока намагничивания для ДТ1-МГ1-300 и ДТ1-МГ1-450. Конструктивные размеры магнитопроводов ДТ1-МГ1-300 и ДТ1-МГ1-450 приведены на рисунках 3.3 и 3.4.

Известно, что динамическая индуктивность намагничивания является коэффициентом связи между потокосцеплением цепи намагничивания трансформатора и током намагничивания.

Определение характеристик динамической индуктивности ^ = f ^^ /dt) осуществлялись по методике, приведенной в работе [69]. Схема исследования переходных процессов в ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 показана на рисунке 3.5.

По этой предлагаемой методике проводились экспериментальные исследования переходных процессов в ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 при импульсном намагничивании и определялись значения индуктивностей

намагничивания и скорости токов намагничивания di!¿/dt ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 (экспериментальные точки).

Рисунок 3.3 - Размеры магнитопровода ДТ-1МГ1-300

Рисунок 3.4 - Размеры магнитопровода ДТ-1МГ1-450

Далее, на основе определенных экспериментальных точек были построены функции аппроксимации зависимостей динамических индуктивностей ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 от напряжения на обмотке намагничивания ДТ Ld= f (Uc) и от скорости изменения тока намагничивания ДТ Ld = f (did/dt) (рисунки 3.8 и 3.9, соответсвенно).

ДТ-1МГ1 -300 или ДТ-1МГ1 -450 Рисунок 3.5 - Схема исследования переходных процессов в ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450

Исследования проводились следующим образом: включается ключ К3; с целью обеспечения постоянства начальных магнитных характеристик магнитопровода ДТ, с помощью ЛАТР-№2 размагничивался магнитопровод ДТ-1МГ1-300 (ДТ-1МГ1-450) в плавно-убывающем переменном магнитном поле промышленной частоты; ключ КЗ выключается; включен ключ К1; переменное напряжение с ЛАТР-№1 подавалось на диодный мост, выпрямленное напряжение подавалось для заряда конденсатора С до определённой величины напряжения; отключен ключ К1 после заряда конденсатора С до определенного напряжения питания (от 5 В до 200 В); включен ключ К2; производился разряд заряженного конденсатора С на полуобмотку (8 витков) основной обмотоки ДТ-1МГ1-300 (ДТ-1МГ1-450); с помощью цифрового осциллографа TDS3052B осциллографировались токи и напряжения в полуобмотке основной обмотоки ДТ-1МГ1-300 (ДТ-1МГ1-450) при холостом ходе (ХХ) во вторичной цепи ДТ. Выше перечисленная последовательность сохранялась при каждом эксперименте.

На рисунках 3.6 и 3.7 показаны напряжения на полуобмотках основной обмотки щ (напряжения на емкости С) и ток намагничивания магнитопровода

для ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 при развертке 40 и 20 мкс, соответсвенно. Ток от 0 до точки А (т.А) изменяется по линейному закону с постоянной скоростью нарастания (dip. /dt). В конце линейного участка изменения тока напряжение щ уменьшилось на 5%. Поэтому можно принять допущение - щ = Uc ~ const. На участке т.А - т.Б diц/dt возрастает даже с уменьшением u1. Для участка 0 - т.А получаем равной

h'-^rr.. (3.1)

«W dt

Рисунок 3.6 - Осцилограммы напряжения на первичной обмотке щ и тока намагничивания ДТ-1МГ1-300 при ис = 175В

Из-за переменной величины скорости тока намагничивания /dt невозможно использовать эту формулу для участка т.А - т.Б.

Из рисунков 3.6 и 3.7 видно, что в т.Б происходит насыщение магнитопроводов ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450.

По выше изложенной методике определены точечные значения зависимости индуктивности намагничивания от скорости изменения тока намагничивания

/Ж при разных напряжениях на конденсаторе С. Используя значения индуктивностей намагничивания ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 определены функции аппроксимации динамических индуктивностей намагничивания ДТ от напряжений на обмотках намагничивания ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450

Ъ = / (ис ).

Рисунок 3.7 - Осцилограммы напряжения на первичной обмотке u1 и тока намагничивания i^ ДТ-1МГ1-450 при UC = 176В

В среде Microsoft Excel с помощью степенных функции аппроксимации: y = 3,8054x ~0,313 и y = 7,1495x_0'477 определены соответственно зависимости динамической индуктивности ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 от напряжения на обмотке намагничивания ДТ Ld = f (Uc) (рисунок 3.8). При этом величина

л

достоверности аппроксимации R степенной функции составляет 98,78% и 98,61%.

Используя значения индуктивностей намагничивания от скорости токов намагничивания ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450, определены функции

аппроксимации динамических индуктивностей ДТ от скорости изменения тока намагничивания Ld = f ( di^l dt).

4

к

тз h-l

3

2,5 2 1,5 1

0,5 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Uc , В

--Степенная (ДТ-1МГ1-300) -Степенная (ДТ-1МГ1-450)

Рисунок 3.8 - Зависимости динамических индуктивностей ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450

от напряжения на обмотке намагничивания

По экспериментальным точкам определены зависимости динамических индуктивностей ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 от скорости изменения тока намагничивания ДТ y = 2,774x ~°'239 и y = 3,9019x_0'9938, соответсвенно, с величиной достоверности аппроксимации R2 = 99,3% и R = 99,4% (рисунок 3.9). Зависимости, представленные на рисунках 3.8 и 3.9, используются для определения ограничивающих свойств ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450 по передаче энергии ОЭМВ через магнитную связь ДТ до момента насыщения магнитопровода.

тз 3 5 ^ 3,5

3

2,5 2 1,5 1

0,5 0

50

100

150

200

250

300

Степенная (ДТ-1МГ1-300)

350 400

¿щ^, А/мс Степенная (ДТ-1МГ1-450)

0

Рисунок 3.9 - Зависимость динамических индуктивностей ДТ-1МГ1-300 и ДТ-1МГ1-450

от скорости изменения тока намагничивания

3.3 Методика согласования устройств системы защиты аппаратуры РЦ

Для создания высоконадёжной системы устройств защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ необходимо согласовать энергию, действующую на УЗИП, установленные на вводе аппаратуры РЦ, с энергией допустимой для таких УЗИП.

Согласование средств защиты состоит из определения энергии ОЭМВ, действующей на устройство защиты установленное на вводе аппаратуры РЦ до момента насыщения магнитопровода ДТ на каждом цикле намагничивания магнитопровода. И определение суммарной энергии, рассеиваемой на устройстве защиты, до момента срабатывания быстродействующего выключателя на ТП, который отключает ток КЗ в тяговой сети.

При действии коммутационого ПН в тяговой сети и асимметрии рельсовой линии суммарная энергия, рассеиваемая на устройстве защиты, ограничивается длительностью времени пуска электровоза, разгона электропоезда, временем хода электропоезда на подъёме и допустимым коэффициентом асимметрии (КА)

обратного тягового тока в рельсах рельсой линии [5]

ка = [(/р1 - /и) / (1р1 + 1р2)] • 100%,

(3.2)

где /Р1 - ток в первом рельсе рельсовой линии, /Р1 - ток во втором рельсе рельсовой линии.

При токе коммутации 1000 А и КА = 6% ток асимметрии (/Р1 - /Р2), оказывающий влияние на аппаратуру рельсовых цепей, равен 60 А. Учитывая длительность процесса движения поезда на подъёме и разгон поезда, исчисляемые минутами, требуется учитывать влияние коммутационных ПН на аппаратуру РЦ.

На рисунке 3.10 приведена схема, поясняющая защитные свойства ДТ при насыщении магнитопровода и расчёт величины энергии ОЭМВ, которая рассеивается на УЗИП при КЗ в тяговой сети переменного тока.

>

Рисунок 3.10 - Схема поясняющая защитные свойства ДТ при насыщении магнитопровода и расчёт величины энергии ОЭМВ действующей на УЗИП на вводе аппаратуры РЦ

В первом квадранте показана зависимость потокосцепления у от тока намагничивания у= ф(/ц) (основная кривая намагничивания полуобмотки ДТ). В четвёртом квадранте приведён график зависимости тока КЗ в тяговой сети переменного тока от времени.

В момент времени нарастания тока КЗ и изменении магнитного потока магнитопровода идёт передача энергии через ДТ и выделение этой энергии на УЗИП В точке А (т.А) происходит насыщение магнитопровода ДТ и резко изменяется наклон характеристики что приводит к уменьшению

индуктивности намагничивания и резкому уменьшению энергии, передаваемой во вторичную обмотку ДТ. При уменьшении тока КЗ ниже т.Б (рисунок 3.10), так же на УЗИП будет передана энергия от тока КЗ За следующий интервал

времени, равный 10 мс, на УЗИП будет передана энергия и Q4). Зная время срабатывания защиты на ТП - (¿З.ш , сек) общая энергия, рассеиваемая на УЗИП, будет равна

= 2 • ¿з.тп • 100 • Ql, (Дж). (3.3)

Факторами, влияющими на величину действующей энергии на УЗИП, являются:

- удалённость аппаратуры РЦ от тяговой подстанции, параметры тягового трансформатора на ТП;

- тип: контактной подвески, рельсов рельсовой линии, ДТ;

- время срабатывания системы защиты на ТП при отключении места КЗ;

- влияние климатических условий (зима, лето).

Большое число факторов, влияющих на энергию, рассеиваемую на средстве защиты аппаратуры РЦ при аварийных и коммутационных процессах в тяговой сети предлагается учитывать на математической модели. Такие математические модели позволят принимать обоснованные решения при проектировании системы устройств защиты аппаратуры РЦ от аварийных и коммутационных процессов в тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ.

Актуальной задачей исследования является разработка математической

модели для определения энергии, рассеиваемой на средстве защиты РЦ.

3.3.1 Математическая модель для определения энергии, рассеиваемой

на УЗИП аппаратуры РЦ

Математическая модель разрабатывалась с применением метода переменных состояния. Схема защиты аппаратуры РЦ от ОЭМВ при аварийных и коммутационных процессах показана на рисунке 3.11, где иТП - напряжение на трансформаторе ТП; иМ - амплитуда напряжения на трансформаторе тяговой подстанции; £ЭКП, ЯЭКП - эквивалентная индуктивность и активное сопротивление тяговой сети для каждой полуволны тока КЗ в КП (определены в подглаве 2.3.2) ; Яи - средства защиты (УЗИП); 9 - длительность полуволны тока КЗ. В этом случае, при наличии свободной составляющей тока КЗ, 9 является переменной величиной.

Коэффициент трансформации полуобмотки дроссель-трансформатора ДТ-1МГ1-450 ПдТ = 6. Коэффициент трансформации изолирующего трансформатора типа ПРТ-А пПРТ-А = 9,15.

Рисунок 3.11 - Схема защиты аппаратуры РЦ от ОЭМВ

Эквивалентная схема защиты аппаратуры РЦ представлена на рисунке 3.12. В данном случае, ДТ-1МГ1-450 заменяется эквивалентной схемой, где Яцдт) -активное сопротивление и ^цдг) - индуктивность рассеяния полуобмотки основной обмотки ДТ-1МГ1-450. Параметры дополнительной обмотки ДТ:

активное сопротивление - ^'2(дт> индуктивность рассеяния - ^^(дт) и межвитковая ёмкость С'2(дт) приведены к основной полуобмотке ДТ через квадрат коэффициента трансформации п дт = 36. Межвитковая ёмкость вторичной обмотки трансформатора ПРТ-А - С''2(ПРТ-А) приводится к основной полуобмотке ДТ через произведение квадратов коэффициентов трансформации полуобмотки ДТ и трансформатора ПРТ-А (п2дг • п2ПРТ-А).

Рисунок 3.12 - Эквивалентная схема защиты аппаратуры РЦ от ОЭМВ

На Гатчинском электротехническом заводе - филиале открытого акционерного общества «Объединенные электротехнические заводы» проведены эксперименты по определению активного сопротивления, индуктивности рассеяния и межвитковой емкости полуобмоток ДТ-1МГ1-450 по методикам, приведенным в работах [111, 112]. Параметры эквивалентной схемы показаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Я1(ДТЪ Яд, Я2(ДТЪ С2(ДТЪ L ^2(ДТЬ Я 2(ДТЬ C 2(ДТЬ

Ом мГн Ом Ом мГн нФ мГн Ом нФ

0,01 0,02636 1000 4,5 1,284 1,27 0,0357 0,125 45,72

В соответствии с методом переменных состояния [130] внесено дополнительное сопротивление Яд. Межвитковая емкость вторичной обмотки трансформатора ПРТ-А определена по методу Ритца [111]. С учётом ёмкости соединительных кабелей ёмкость С2(ПРТ-А) принята равной 16 нФ.

После приведения параметров эквивалентной схемы замещения к

первичной полуобмотке ДТ-1МГ1-450 получаем расчётную схему определения энергии на средствах защиты аппаратуры РЦ (рисунок 3.13), где

^ЭКП + А^1(ДТ)' ~ ^ЭКП + ^1(ДТ);

С = С" + С"

С2( ДТ) С2(ПРТ ) •

(3.4).

Рисунок 3.13 - Расчётная схема определения энергии на средствах защиты аппаратуры РЦ

Приведение вольт-амперной характеристики (ВАХ) варистора СН2-2В-560 к полуобмоткам ДТ-1МГ1-450 поясняется на рисунке 3.14.

Ыи, А /ш1, А

5-10 /1дт ипрт-а-|- 5ТО2 5-Ю1

5 • 10и • «дт • «прт-а-|- 5 Т 0°

0

/т Б

СН2-2В-560 X

------ /т. А /1 /1 / 1 / 1 1 / , |

500

юоо ияив

650/«дт-Ппрта 886//2дт-«прта Рисунок 3.14 - Преобразование вольт-амперной характеристики варистора СН2-2В-560

Из исходных технических характеристик для производства варисторов была взята

функция ВАХ 1ки = / (ики) [10, 124]. На основе зависимости 1ки = / (ики)

определяются точки, которые используются для аппроксимации нелинейной функции методом кусочно-линейной аппроксимации (например, точки А, Б и т. д.). Например, для т.А приведение значения тока осуществляется умножением на коэффециенты трансформации если преобразование ведётся к меньшим виткам обмотки трансформатора (ток ВАХ увеличивается), выражение (3.5). Приведение значения напряжения осуществляется делением на коэффициенты трансформации (напряжение ВАХ уменьшается), выражение (3.6).

I" = 5.100 . п • п ; (3 5)

1 яи 5 10 пДТ пПРТ-А ; (3.5)

и'ш = 650/ПДТ • ПпРТ-А . (36)

На рисунке 3.15 показан линейный направленный граф расчетной схемы. Цифрами обозначены узловые точки - места соединения элементов схемы. Направление токов в каждом элементе схемы обозначены стрелками.

4

•т'

52(ДТ)

5

Рисунок 3.15 - Линейный направленный граф расчётной схемы, представленной на рисунке 3.13

По выражениям (2.5) ... (2.7) определим количество: рёбер N = 9), узлов (Ыу = 6), ветвей = 5) и связей (№ = 4) в линейном направленном графе. На рисунке 3.16 представлено одно из возможных деревьев графа, где сплошными линиями показаны ветви графа, а пунктирными линиями - связи графа.

Рисунок 3.16 - Дерево линейного направленного графа, показанного на рисунке 3.15

На рисунке 3.17 представлена ^-матрица расчётной схемы. Из рисунка видно, что ^-матрица состоит из строк, число которых соответствует числу связей, т.е. числу контуров графа.

Ветви

Е(ити) О: Л2(ДТ)

яи" & о] \ряс -1 1 0 0 0

-11 . | \Рьс о! \Ъл 1 1 0 |

1с1{ ДТ) 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 -1 0

^2(ДТ) ! о! 1 1 1 ] ! о -1 1 1 1

Рисунок 3.17 - ¥-матрица дерева линейного направленного графа

Число столбцов матрицы соответствует числу ветвей дерева графа. Каждая строка определяет состав ветвей, входящих в контур, соответствующий данной связи. Например, контур, ориентированный по связи LS2(дт> помимо связи LS2(lдг) включает в себя три ветви: СЕ, Яд, R'2(ДТ).

Далее представим ^-матрицу в виде подматриц, которые находятся в зонах пересечения строк и столбцов, соответствующих определенным типам ветвей и связей. Каждая подматрица обозначается двумя индексами: первый индекс указывает на тип элементов строк, а второй - на тип элементов столбцов (см. выражения (3.7) ... (3.9)). На рисунке 3.17 подматрицы выделены с штриховыми линиями.

t

На рисунке 3.18 показана F - транспонированная F-матрица.

RU" Ld(ДТ) АэдДТ)

E(UJTl) \Fre 0¡ te -i 0 0 ¡

\Frc -i! te o 0 1 ¡

te o! te i 0 0 ¡

1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 -1 -1

^2(ДТ) 0 ¡ ! o 0 1 1 1

Рисунок 3.18 - FT - транспонированная F-матрица

EB CB RB

F = Rc F F RE F FRC F FRR

LC Fle Flc Flr

(3.7)

F = 0- F = 0'

RE ? RR

(3.8)

FrC = |-i|;

-i 0 i i 0

LF II 0 - F = ; F lc 0 II 0 -10

0 i 0 -i i

(3.9)

Ниже приведены параметрические матрицы схемы на рисунке 3.13.

G

RU

и -1

; g¿

R

-i 2

0 0

0 R-1 0 0 0

R-l

r2( дт)

(3.10)

Г

L1 0

0

г

-1

d ( дт)

0 0

0 0

L

t-i

's 2(дт)

;

С

-i

<

Транспонированные подматрицы имеют следующий вид:

¥ яе ¥т ¥ ЬЕ

¥т = ¥т ¥ яс ¥Т ¥ ьс ; (3.11)

¥т ¥ яя ¥т ¥ ья

¥т = 0 • ¥т = 0 •

¥ Ш 0 • ¥ яя 0 •

яс

¥

т

ЬЕ

-1 0 0| 1 0

РТьс = |0 0 1 ; ¥х

т ья

1 -1 00

0

1

(3.12)

(3.13)

Следующий вид представления можно применить к векторам токов и напряжений в связях и ветвях (см. выражение (3.14)), представляя их в виде векторов напряжений на связях (ис) и ветвях (ив), а также в виде векторов токов в связях (Iе) и ветвях (1в).

ис =

и и

ив =

и

ис

и

гС

Iе

1я

гС

1в =

(3.14)

С учетом значений векторов ис, ив, Iе, 1в, и выражения для ¥ - матрицы преобразуем уравнения (2.3) и (2.4). В результате получаем следующие уравнения:

ив

0

ЬЕ

яс

ьс

0

ья

(3.15)

1в 1Е 0 ¥т 1 ЬЕ

1в ¥т ¥ яс ¥т ¥ ьс

1в 0 ¥т ¥ ья

(3.16)

<

ь

ь

Представим последние матричные уравнения в развернутом виде:

иС = - Е • иВ; 1 ЯС и С ;

иС = - ЕЬЕ • иВ -

1В 1 Е = ЕТЕ 1С; ль ;

1В = ЕТ 1 яс 1С + Е

1В 1 ля II • 1С ■

ьс

'В

ья

'В;

(3.17)

с

ив ■ 1в-

п = Гс Vе- V Ь '

1с ля = ос ис ■ и я ;

1В , я = оВ иВ и я ■

Приведем выражения, связывающие токи с напряжениями для элементов каждого типа:

(3.18)

Следующую систему уравнений (3.19) получаем с помощью уравнений (3.17) и (3.18):

VI = {0В)-1 •(ЕЯ • 1С);

1В = 0* • иЯ;

77с _ _ т? тт* ■ и я = ГЯС • и С ;

1С = 0е • иС;

IВ = ЕТ • 1С + ЕТ • 1С ■ лс 1 яс 1 я + еьс 1 ь ;

IС = гс-иС;

иС =-Еье • иВ - Еьс • иВ - Еья • иВ.

(3.19)

На стадии ввода исходных данных устанавливаются начальные значения для векторов напряжения на С-ветвях (иВ), токов в ^-связях (1С ) и независимых источников напряжения (ивЕ). Предполагается, что независимые источники тока отсутствуют, поскольку они уже преобразованы заранее в источники напряжения и сопротивления. Для решения дифференциальных уравнений используется метод Эйлера.

<

1. Напряжения на сопротивлениях ветвей - иС = (СС)1 • (^ • 1С):

и

я!

ия' 2(дт)

-1

0 0

Я-1 0

0

я ,-1

я2( дт)

-1

1 0 0 1 -1 -1 0 0 1

I

ь!

^и (дт)

1ь я 2(дт)

ия! = Я! • 1ь! ;

и

яд

^ ( 1ь ! 1и(дт) 1ья2(дт)) ;

Я •(I

■I,

1Т,

ия'2(дт) я2 (дт) • 1ья2(дт)'

2. Токи через сопротивления ветвей - = оС • :

1я ! 1/яе 0 0 ия ! ия ъ/ Я!

^яд = 0 1/яд 0 ияд = ияд/ яд

^я' 2(дт) 0 0 V я2(ДТ) ия' 2( дт ) ия ' 2( дт ) / я2(дт)

1 к ! = 1ь ! ;

= I - I - I '

яд аь ! ^ьа (дт ) ^ Я 2(дт )■

= т

Я'2(ДТ) Ь Я 2(ДТ) '

■в

3. Напряжения на сопротивлениях связей - ик = -¥кс • ис

ики" = - I-^ • |ис^ = исъ ■

4. Ток сопротивления связи - 1СК = С

¡кии „ = 1 ки ' | • ики " = иш, ,/Яи'

С иС :

5. Ток через емкость ветви - 1С Ы = М • \!ки" 1 +

РТ • ТС + ^ • 1С :

^ь я 2(дт )

I = -I + I

^С! = ^Яи '' + Я 2(ДТ).

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

6. Производная напряжения на емкости ветви - йв = 8В ■ : | = 11/^2 | " | = /^2 | '

йс,=1с,/С,. (3.25)

7. Производные токов в индуктивностях связей - Iе = • г/

ГС : £ '

<

/

/

ьт. ьа{ дт)

Л 0

к

о 1

ь

0

а ( дт) 0

0 1

Ь'

и,

ь 2

иьа (дт)

2( дт)

иь к;

иьа (дт )/ьа ( дт) ;

иь'52(дт) 2(дт) •

(3.26)

—Г ■ и

3 2(дт)

8. Напряжения на индуктивностях связей - иС

в

с

— 1

¿Е

ив — г£С • ив

и -1 0 1 10 и итп ик£ ищ;

иьа (дт) = — 0 ■ и — ^ тп 0 ■ исъ — 0 —1 0 идц = ияд; . (3.27)

иьз 2(дт) 0 1 0 —1 1 ия'2( дт) — ис £ + ияд — ия' 2( дт ) •

9. Напряжение на ёмкости ветви в конце шага интегрирования

В ттВ . т'тВ

и с = и с + и с сИ

ис, — ис1: + £/С1 • л.

(3.28)

10. Токи через индуктивности связей в конце шага интегрирования 1сь=1сь+1сь-й1-

^(дт) — ^/.¿(дт) + ^Ы(ДТ) '

(3.29)

Полученные значения векторов иВ и /С принимаются как начальные значения для следующего шага интегрирования, и описанные выше операции повторяются. В результате вычислений определяются значения токов и напряжений в каждом элементе расчетной схемы (см. рисунок 3.12).

г с

<

3.3.2 Алгоритм расчёта энергии, рассеиваемой на УЗИП аппаратуры РЦ

Алгоритм расчета энергии ОЭМВ на устройстве защиты аппаратуры РЦ рассмотрим на примере выравнивателя ВОЦН-110 (варистор типа СН2-2В-330) (см. рисунок 3.19). Алгоритм состоит из первого и второго подготовительных

проходов программы. На третьем проходе организован цикл работы программы.

Алгоритм программы начинается с объявления переменных и установки начальных условий исследуемых функций.

На первом проходе программы в разностные уравнения заносятся начальные условия исследуемых функций. По ВАХ устройства защиты аппаратуры РЦ IRU = f (URU) определяется ток в устройстве защиты. Далее определяется динамическая индуктивность намагничивания магнитопровода ДТ из зависимости Ld = f (UC). На следующем этапе определются производные переменных состояния: токов в индуктивностях (dILSUM, dILS2, dILd); напряжения на ёмкости С2 (dUC2), а также производная потокосцепления намагничивания магнитопровода (dPSI) ДТ. Далее осуществляется расчёт исследуемых функций переменных состояния (ILSUM, ILS2, ILd, UC2) и потокосцепления намагничивания магнитопровода (PSI) ДТ в конце первого шага интегрирования.

На втором проходе программы по разностным уравнениям определяются напряжения на индуктивных элементах, ток в ёмкости С2, напряжение на устройстве защиты. По ВАХ устройства защиты аппаратуры РЦ IRU = f (URU) определяется ток в устройстве защиты. Далее определются производные переменных состояния: токов в индуктивностях (dILSUM, dILS2, dILd); напряжения на ёмкости С2 (dUC2), а также производная потокосцепления намагничивания магнитопровода (dPSI) ДТ. Затем осуществляется расчёт исследуемых функций переменных состояния (ILSUM, ILS2, ILd, UC2) и потокосцепления намагничивания магнитопровода (PSI) ДТ в конце второго шага интегрирования дифференциальных уравнений.

На третьем проходе рограммы организуется цикл расчёта энергии рассеиваемой на устройстве защиты аппаратуры РЦ. В начале третьего прохода проверяется условие насыщения магнитопровода ДТ. При условии, когда потокосцепление магнитопровода (PSI) меньше потокосцепления насыщения (NPSI) решаются разностные уравнения и определяются напряжения и токи во всех не реактивных элементах расчётной схемы. Затем по ВАХ устройства защиты аппаратуры РЦ определяется ток в устройстве защиты (IRU) в зависимости