автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему: Совершенствование и разработка систем электроснабжения устройств СЦБ

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование и разработка систем электроснабжения устройств СЦБ"

На правах рукописи

НАБОЙЧЕНКО ИГОРЬ ОЛЕГОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ СЦБ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

Научный руководитель: Доктор технических наук

Аржанников Борис Алексеевич

Официальные оппоненты Доктор технических наук,

профессор, Бурков Анатолий Трофимович

Кандидат технических наук, доцент

Лабунский Леонид Сергеевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится 19 декабря 2008 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС) по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. 283. Тел. (343) 358-55-10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан ■// 2008 г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес Ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета^^^^^^^А^дченко В.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Одной из основных задач, стоящих перед станционными и перегонными устройствами и системами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) является снижение числа отказов и улучшение условий безопасности движения поездов. В наибольшей степени критичность и важность достоверного решения этих вопросов возросла за последнее время в связи с происходящим внедрением в устройства СЦБ цифровой и микропроцессорной техники, что повлекло за собой существенное усложнение применяемой аппаратуры и объема решаемых функциональных задач.

На фоне успешного решения этих проблем большая часть эксплуатируемых систем электроснабжения устройств СЦБ далека от совершенства. Принципы построения этих систем, практическая реализация и используемая в них аппаратура не изменялись на протяжении нескольких десятилетий прошлого века. Причем, можно утверждать, что на протяжении этого времени системы электроснабжения далеко не всегда удовлетворяли требованиям, предъявляемым устройствами СЦБ, что вызывало задержки поездов, а в некоторых случаях и ухудшение условий безопасности движения. Усложнение устройств СЦБ и применение новой элементной базы в значительной степени обострило проблемы влияния электроснабжения устройств СЦБ, воздействующих на их функционирование и обусловливающих, в некоторых случаях, появление отказов аппаратуры. Это относится, в первую очередь, к качеству питающих напряжений электронной аппаратуры, которая пришла на смену релейной, менее критичной к отклонениям и колебаниям напряжения питания и его кратковременным исчезновениям.

Изложенное свидетельствует об актуальности работ, направленных на устранение недостатков существующих систем электроснабжения устройств СЦБ, что и определило научную и практическую направленность диссертационной работы. Следовательно, практической целью диссертационной работы является обеспечение основного параметра качества электроэнергии -

не превышение допустимых устойчивых отклонений напряжения питания систем электроснабжения устройств СЦБ и разработка технических средств, обеспечивающих заданные параметры питающего напряжения, которые должны реализовывать бесперебойную работу станционных и перегонных устройств СЦБ с безусловным выполнением требований безопасности движения поездов.

Целью диссертационной работы является исследование систем электроснабжения устройств СЦБ и разработка новых систем и аппаратных средств с целью совершенствования их технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

В диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ работы существующих систем электроснабжения устройств СЦБ и их характеристик, влияющих на функционирование рельсовых цепей и аппаратуры преобразования информации.

2. Разработка математической модели системы электроснабжения устройств СЦБ и получение расчетных уравнений для определения параметров входящих в систему функциональных узлов.

3. Исследование и разработка методов улучшения характеристик систем электроснабжения на основе новых технических решений с повышенной защитой от импульсных перенапряжений и лучшими характеристиками по качеству напряжения питания устройств СЦБ.

4. Технико-экономический анализ систем электроснабжения и внедре-

ние предложенных системных и схемотехнических решений на сети дорог.

Методы исследования. Для решения поставленных задач с целью исследования процессов передачи электрической энергии в линиях электропередачи и в аппаратуре электроснабжения использовались классические методы теории электрических цепей переменного тока, включая исследование волновых процессов распространения импульсов тока в линиях. При определении параметров систем электроснабжения использовался метод зеркаль-

ных отображений. Для исследования и при разработке электронных схем применялось представление полупроводниковых приборов в виде линейных и нелинейных электрических моделей и эквивалентных схем, основанных на использовании метода заряда в транзисторах, диодах и тиристорах. В некоторых случаях нелинейные свойства полупроводниковых приборов представлялись в виде аппроксимации вольтамперных характеристик кусочно-линейными функциями. Для повышения точности анализа и вычислений применялись современные методы вычислительной техники и прикладного математического обеспечения в среде МаШсас!.

Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами:

1. Разработаны и научно обоснованы методы анализа процессов, происходящих в системах электроснабжения устройств СЦБ, включающие в себя:

• исследование влияния параметров систем электроснабжения на функционирование устройств СЦБ;

• разработку математической модели систем электроснабжения устройств СЦБ, позволяющей рассчитать требования к параметрам устройств регулирования напряжения;

• исследование и разработка методов улучшения качества напряжения систем электроснабжения устройств СЦБ.

2. Предложена и научно обоснована методика определения технико-экономических показателей систем электроснабжения устройство СЦБ.

Практическая ценность работы.

1. Предложены и разработаны принципы улучшения характеристик систем электроснабжения устройств СЦБ, которые применимы и используются на сети дорог РФ.

2. Предложены и разработаны новые принципы реализации систем электроснабжения устройств СЦБ, включая защиту аппаратуры от перенапряжений.

3. Результаты научно-технических исследований позволили создать новые структурные технические решения и аппаратуру, что позволяет повысить надежность работы устройств СЦБ и улучшить технико-экономические показатели.

Реализация результатов работы. Создан ряд трансформаторных подстанций с питанием от ЛЭП с напряжением 6; 10,5 и 27,5 кВ, а также преобразователей напряжения от контактной сети постоянного тока 2,4-^4,0 кВ в напряжение 220 В переменного тока частотой 50 Гц, эксплуатирующихся или проходящих испытания на сети дорог. Предложен новый принцип построения системы электроснабжения устройств СЦБ на участках железных дорог с электротягой постоянного тока, исключающий из состава оборудования: ячейки фидеров СЦБ на тяговых подстанциях, линию ВЛ СЦБ и силовое оборудование сигнальных точек (разрядники, разъединители-предохранители, трансформаторы).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Международный симпозиум: Электрификация и развитие железнодорожного транспорта. Традиции, современность, перспективы (СПб: МПС РФ, 2001); Межвузовская НТК: Фундаментные и прикладные исследования - транспорту (Екатеринбург: УрГАПС, 1996); Всероссийская научно-техническая конференция «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (Екатеринбург: УрГУПС, 2008); а также доклады на заседании кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» УрГУПС (2006, 2007 г.г.) и на техсовете службы электрификации и электроснабжения Управления Свердловской железной дороги (2006, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 статей, включая 2 статьи в журналах «Железнодорожный транспорт» и «Транспорт Урала», включенных в Перечень ВАК РФ, а также получены 3 патента Российской Федерации на изобретения и один патент на полезную модель.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы (154 наименований). Текст диссертации содержит 178 страниц, включая 61 рисунков на 32 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение посвящено краткому описанию современного состояния железнодорожного транспорта и месту, которое занимают системы электроснабжения станционных и перегонных устройств СЦБ. Показано, что от функционирования систем электроснабжения существенно зависят основные эксплуатационные показатели участков дорог.

В первом разделе диссертации рассмотрено историческое развитие науки и практики и современное состояние систем электроснабжения устройств СЦБ. Значительный вклад в развитие науки и практики систем электроснабжения и электропитания устройств СЦБ внес большой коллектив отечественных ученых и инженеров, среди которых можно отметить: Л.А.Германа, А.Ф.Михайлова, ЛА.Частоедова, В.Е.Тюрморезова, А.Б.Фельдмана, Д.А.Когана, Б.А.Аржанникова, Б.С.Сергеева, А.Т.Буркова, А.В.Котель-никова, ЕЛФигурнова, Н.С.Бочева, Л.С.Лабунского, В.Р.Дмитриева, A.B. Наумова, И.Г.Евсеева, В.А.Манухова и др. На оспове анализа производственно-хозяйственной деятельности Свердловской ж.д. показано, что процентное отношение количества отказов аппаратуры СЦБ по вине службы электрификации и электроснабжения за последние годы составляет 5-6% от общего числа отказов. Внедрение новой электронной аппаратуры на железнодорожном транспорте, что в наиболее значительной степени относится к системам СЦБ и информатики, обострило требования к качеству питающих напряжений, поставщиками которых являются системы электроснабжения. Однако, существующие системы электроснабжения далеко не всегда удовлетворяют современным требованиям. Например, обследование Свердловской и Южно-Уральской железных дорог показало, что величины переменного напряжения Ua = 220 В на вводных клеммах релейных шкафов СЦБ различных сигнальных точек лежат в пределах от 160 до 260 В вместо допустимого

Изложенное показывает актуальность и важность проблемы электроснабжения устройств СЦБ, решение которой способствует снижению числа отказов устройств СЦБ и, в соответствии с этим, определит снижение задержек поездов, что улучшит эксплуатационные показатели участков дорог.

Определена типовая схема системы электроснабжения устройств СЦБ железнодорожного транспорта, которая служит объектом исследования диссертационной работы (рис. 1).

Рисунок 1. Типовая схема системы электроснабжения устройств СЦБ

Рисунок 2. Задачи исследования диссертационной работы

Целью исследования является решение научных и практических задач, которые показаны на схеме рис. 2.

Во втором разделе выполнено исследование вопросов надежности работы различных функциональных узлов аппаратуры С ЦБ с точки зрения определения влияния изменений параметров переменного питающего напряжения 1/„ = 220 В.

На основе проведенного анализа функционирования рельсовых цепей (РЦ) определено, что последствия выхода за пределы допустимых норм напряжения питания ип — 220 В для нормального и шунтового режимов РЦ радикально различны. Обобщенное функциональное выражение, определяющее зависимость между напряжением на путевом реле (ПР)а.

В третьем разделе выполнено исследование причин отклонения напряжения питания устройств СЦБ, поставщиками которого являются исследуемые системы электроснабжения.

Предложена и научно обоснована функционально полная эквивалентная схема системы электроснабжения (рис. 4) и определены активные, индуктивные и емкостные составляющие полных сопротивлений ВЛ СЦБ. Проведен анализ токораспределения системы в режиме нормальной работы и получен комплекс уравнений для нахождения токов, протекающих через элементы схемы.

Показано, что ток нагрузки каждого из трансформаторов систем электроснабжения протекает по одной фазе всех участков ВЛ СЦБ до ¿-го трансформатора и возвращается по другой фазе через те же участки. Этот ток находится из уравнения:

Выполнено исследование работы системы электроснабжения в аномальных режимах, а именно при различных практически имеющих место типах замыканий и обрывах фаз в ВЛ СЦБ, Определены наиболее критичные ситуации, которые могут привести к потере работоспособности устройств СЦБ и предложены способы повышения надежности функционирования систем электроснабжения. В частности определено, что при коротком замыкании любой фазы на землю ток этой фазы увеличивается в три раза по сравнению в нормальным режимом работы ВЛ: