Повышение работоспособности устройств интервального регулирования движения поездов с учетом уровня электромагнитных помех, создаваемых перспективным электроподвижным составом

На железнодорожном транспорте безопасность движения поездов обеспечивают системы автоматики и телемеханики. В основу устройств железнодорожной автоматики положено использование рельсовых цепей в качестве основного датчика, проверяющего целостность рельсовых нитей и контролирующего состояние блок-участка (занятое или свободное от подвижного состава). Также рельсовые цепи служат каналом связи между путевыми и локомотивными устройствами автоматической локомотивной сигнализации, осуществляют увязку показаний светофоров при помощи кодирования.

Проблема обеспечения электромагнитной совместимости рельсовых цепей с перспективным электроподвижным составом — важная стратегическая задача развития отрасли автоматики и телемеханики [88]. Род тяги, а точнее, вид тягового привода электроподвижного состава, является одним из важнейших факторов, определяющих вид рельсовой цепи, которая является фундаментом всех современных систем автоматики. Как известно, всякий раз смена рода тяги сопровождалась реконструкцией рельсовых цепей. Так, переход от паровой тяги к электрической с энергоснабжением на постоянном токе и применением коллекторного двигателя потребовал разработки рельсовых цепей переменного тока частотой 50 Гц. Переход на энергоснабжение переменным током, с установкой выпрямителя для коллекторного двигателя непосредственно на электровозе, привел к тому, что свободными от помех оказались только диапазоны между гармониками тока частотой 50 Гц. Были созданы рельсовые цепи частотой 25 Гц для кодовой автоблокировки, автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (AJICH) и станцийрельсовые цепи частотой 175 Гц для системы комплексного локомотивного устройства безопасности (КЛУБ), а также тональные рельсовые цепи, рабочие диапазоны которых расположены между гармониками тягового тока.

В настоящее время совершенно четко обозначена стратегия замены на тяговом подвижном составе коллекторного двигателя на асинхронный, как при энергоснабжении на постоянном токе, так и при энергоснабжении на переменном токе. Поскольку регулирование тяги осуществляется путем изменения частоты тока, потребляемого асинхронным двигателем, гармоники сетевого тока электровоза возникают в очень широком диапазоне частот, в том числе и в том, в котором работают рельсовые цепи. Это принципиально изменяет требования к перспективным рельсовым цепям.

В настоящее время проблема электромагнитной совместимости электроподвижного состава и рельсовых цепей решается путем предъявления жестких требований к уровню помех, допустимому при работе асинхронного двигателя. Предъявляемые требования оформлены в виде норм безопасности НБ ЖТ ЦТ 04−98 [1], утвержденных Государственной Думой. Выполнение этих требований связано с установкой на электроподвижном составе громоздких фильтров, которые не всегда обеспечивают желаемый результат. Это затрудняет внедрение перспективных электровозов. В то же время в результате экспериментальных исследований установлено, что в ряде случаев предъявляемые требования являются неоправданно жёсткими. Это обусловлено тем, что в момент разработки норм безопасности отсутствовали методы корректного расчёта мешающего влияния помех, создаваемых электроподвижным составом, на работу рельсовых цепей. Нормы безопасности разработаны на основе приближённых методик и экспертных оценок.

Значительный вклад в развитие теории систем интервального регулирования движения поездов с помощью средств автоматики и телемеханики внесли известные ученые И. В. Беляков, П. Ф. Бестемьянов, A.M. Брылеев, И. Е. Дмитренко, И. Д. Долгий, И. М. Кокурин, Н. Ф. Котляренко, Ю. А. Кравцов, В. М. Лисенков, Б. Д. Никифоров, JT.B. Пальчик, Н. Ф. Пенкин, A.C. Переборов, E.H. Розенберг, В. В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Ю. В. Соболев, Н. М. Фонарёв, Д. В. Шалягин, В. И. Шаманов, В. И. Шелухин, О. И. Шелухин, A.B. Шишляков, A.A. Явна и другие.

Исследованию вопросов обеспечения электромагнитной совместимости рельсовых цепей и тягового подвижного состава посвящены работы учёных М. П. Бадёра, К. А. Бочкова, А. Н. Костроминова, A.B. Котельникова, Ю. А. Кравцова, В. Б. Леушина, В. М. Лисенкова, Н. Ф. Пенкина, А.П. Разгоно-ва, В. И. Шаманова, А. П. Шишлякова, Е. Г. Щербины и других.

В настоящее время широкое применение получили бесстыковые рельсовые цепи, ввиду того, что изолирующие стыки относятся к числу наиболее ненадёжных элементов рельсовой цепи [17, 18]. При электрической тяге протекающий по рельсам обратный тяговый ток оказывает существенное влияние на работу рельсовых цепей. Математическое моделирование, описывающее влияние тягового тока на тональные рельсовые цепи без изолирующих стыков отсутствует. Поэтому необходимо разработать методику расчёта распределения гармоник тягового тока в бесстыковых рельсовых цепях с учётом асимметрии первичных параметров в рельсовой линии.

В то же время на электрифицированных железных дорогах на приёмо-отправочных путях станций применяются тональные рельсовые цепи с изолирующими стыками с питанием из середины в обе стороны от источника сигнала, а рельсовые нити одновременно используют для пропуска обратного тягового тока от движущихся электровозов к тяговой подстанции посредством дроссель-трансформаторов в обход изолирующих стыков и сигнального тока рельсовых цепей [9, 30, 31, 32]. При прохождении по рельсам гармоники тягового тока оказывают мешающее воздействие на рельсовые цепи. Тяговый ток по-разному растекается по обратной тяговой рельсовой сети по станциям и перегонам. Возникает задача разработать методику, описывающую влияние гармонических составляющих тягового тока на приёмные устройства станционных разветвлённых и неразветвлённых рельсовых цепей с изолирующими стыками с учётом асимметрии первичных параметров в рельсовой линии.

Помехи на путевые устройства рельсовых цепей, создаваемые гармониками тягового тока, обусловлены двумя видами асимметрии (продольной и поперечной). Для корректного расчёта мешающего влияния тягового тока на устройства рельсовых цепей необходимо разработать методику измерения в эксплуатационных условиях значений первичных параметров трёхпроводной цепи канализации тягового тока «контактный провод-несимметричная рельсовая линия» с учётом взаимоиндукции между проводами, способы измерения которых в настоящее время разработаны не в полной мере.

Опасному влиянию гармоник тягового тока подвержены фазочувстви-тельные рельсовые цепи частотой 25 и 50 Гц с реле ДСШ, которое может сработать и замкнуть фронтовой контакт, если на путевом элементе уровень, частота и фаза гармоник тягового тока будут иметь соответствующие значения [64, 72]. В связи с этим возникает задача исследования влияния перспективного электроподвижного состава на работоспособность фазочувствитель-ных рельсовых цепей и проведение эксплуатационных испытаний бортовой системы диагностики на электровозе с асинхронным тяговым двигателем, обеспечивающей исключение опасных ситуаций в случае превышения переменных составляющих тягового тока допустимого значения.

Целью данной диссертационной работы является разработка теоретических и практических методов повышения устойчивости работы рельсовых цепей с учётом влияния гармонических составляющих тягового тока.

В диссертации поставлены следующие задачи:

— разработка математической модели несимметричной рельсовой линии с учётом взаимной индуктивности контактного провода и рельсов;

— разработка методики определения мешающего влияния тягового тока на перегонные бесстыковые рельсовые цепи и станционные разветвлённые и неразветвлённые рельсовые цепи с изолирующими стыками с учётом асимметрии первичных параметров в рельсовой линии;

— анализ влияния создаваемых электроподвижным составом помех по условиям обеспечения работоспособности рельсовых цепей;

— разработка методики определения первичных параметров трёхпро-водной цепи канализации тягового тока «контактный провод-несимметричная рельсовая линия» с учётом взаимной индуктивности между проводами;

— экспериментальная проверка в эксплуатационных условиях результатов теоретических расчётов уровней помех электроподвижного состава на рельсовые цепи;

— теоретическое и экспериментальные исследования условий обеспечения электромагнитной совместимости перспективного электроподвижного состава и фазочувствительных рельсовых цепей.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

4.6. Выводы.

1. Разработана методика испытаний электровоза ЭП10 на электромагнитную совместимость с рельсовыми цепями устройств СЦБ. На основании разработанной методики были проведены испытания электровоза ЭП10 на электромагнитную совместимость с рельсовыми цепями устройств СЦБ. По результатам испытаний был сделан вывод о том, что электромагнитная совместимость электровоза ЭП10 и фазочувствительных рельсовых цепей обеспечивается.

2. Проведён анализ электромагнитной совместимости станционных фазочувствительных рельсовых цепей и электровоза ЭП10 с импульсным преобразователем при электротяге переменного тока. Подтверждено, что применение ЛИЭМС на электровозах при электротяге переменного тока нецелесообразно.

3. Проведены эксплуатационные испытания бортовой системы диагностики ЛИЭМС на электровозе ЭП10, обеспечивающей исключение опасных ситуаций в случае превышения переменных составляющих тягового тока допустимого уровня.

4. Проведена оценка влияния нескольких электровозов, расположенных в фидерной зоне на работу станционных фазочувствительных рельсовых цепей. Доказано, что переменная составляющая частотой 25 Гц растекается от электровоза ЭП10, набирающего тягу, «вперёд» в сторону станции и «назад» в сторону рекуперирующего электровоза ВЛ10 практически в равных долях при скорости на участке меньше 50 км/ч. При скорости больше 50 км/ч «назад» течёт большая доля гармонической составляющей, чем «вперёд».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Требования к электромагнитной совместимости электроподвижного состава и рельсовых цепей в последнее время значительно возросли в связи с широким использованием на перспективных электровозах достижений научно-технического прогресса. Дополнительные сложности вызваны высокой плотностью компоновки оборудования на подвижном составе, где силовые устройства и системы управления располагаются рядомдвижением тягового подвижного состава вблизи устройств связи и сигнализации, а также трассировкой линий связи и СЦБ параллельно контактной сети. Все эти факторы обусловили принятие на железных дорогах особо жестких норм к уровням помех, генерируемых тяговыми преобразователями электровозов.

Роль электромагнитной совместимости значительно возросла в связи с использованием на электроподвижном составе компьютерных систем управления и полупроводниковых преобразователей большой мощности. Тяговые преобразователи возбуждают в питающей их сети мешающие токи, которые через рельсы и контактную сеть передаются на тяговую подстанцию. Эти помехи содержат частоты от нескольких герц до 10 кГц. Они могут оказывать мешающее и опасное влияние на работу устройств СЦБ и связи, расположенных в зоне рельсов, особенно на рельсовые цепи, устройства автоматической локомотивной сигнализации и приборы системы автоматического управления движением поездов.

Особенностью электроподвижного состава в отношении электромагнитной совместимости является близкое расположение элементов силовой электроники от устройств СЦБ и связи, работающих на индуктивном принципе. Крутизна фронта импульсов напряжения в тяговых преобразователях, работающих на запираемых тиристорах, составляет 0,5 — 1 кВ/мкс, а на биполярных транзисторах с изолированным затвором — от 3 до 10 кВ/мкс. Крутизна импульсов тока составляет соответственно З-ЗООиЗО — 600 А/мкс. В промежуточном звене таких преобразователей напряжение постоянного тока может поддерживаться на уровне от 600 В до 2,8 кВ. В непосредственной близости от преобразователей и подключенных к ним тяговых двигателей, трансформаторов, тормозных резисторов и силовых кабелей должны надежно работать устройства систем СЦБ, рабочий уровень сигналов которых в зависимости от частоты лежит между несколькими амперами и миллиамперами.

В рамках диссертационной работы получены следующие основные научные и прикладные результаты.

1. Разработана модель распределения гармонических составляющих тягового тока в несимметричной рельсовой линии для рельсовых цепей без изолирующих стыков.

2. Разработана методика определения мешающего влияния тягового тока на бесстыковые рельсовые цепи в несимметричной рельсовой линии.

3. Проведён анализ расчётных данных влияния тягового тока на тональные рельсовые цепи без изолирующих стыков.

4. Разработана модель распределения постоянной составляющей тягового тока в несимметричной рельсовой линии для неразветвлённых рельсовых цепей с изолирующими стыками.

5. Разработана методика определения мешающего влияния постоянной составляющей тягового тока на неразветвлённые рельсовые цепи с изолирующими стыками с учётом асимметрии первичных параметров в рельсовой линии.

6. Проведён анализ влияния постоянной составляющей тягового тока на приёмные устройства рельсовых цепей с изолирующими стыками.

7. Разработана модель распределения переменной составляющей тягового тока в несимметричной рельсовой линии для неразветвлённых рельсовых цепей с изолирующими стыками.

8. Разработана методика определения мешающего влияния переменной составляющей тягового тока на неразветвлённые рельсовые цепи с изолирующими стыками с учётом асимметрии первичных параметров в рельсовой линии.

9. Проведён анализ влияния переменной составляющей тягового тока на приёмные устройства неразветвлённых рельсовых цепей с изолирующими стыками.

10. Разработана модель распределения гармонических составляющих тягового тока в несимметричной рельсовой линии для разветвлённых рельсовых цепей с изолирующими стыками, расположенными на станции.

11. Разработана методика определения и проведён анализ влияния мешающего влияния гармонических составляющих тягового тока на разветвлённые рельсовые цепи с изолирующими стыками, расположенными на станции, с учётом асимметрии первичных параметров в рельсовой линии.

12. Разработаны методы измерений первичных параметров трёхпроводной цепи канализации тягового тока «контактный провод-несимметричная рельсовая линия» .

13. Разработана методика испытаний перспективного электроподвижного состава на электромагнитную совместимость с рельсовыми цепями устройств сигнализации, централизации и блокировки.

14. Проведён анализ электромагнитной совместимости станционных фазочувствительных рельсовых цепей и электровоза ЭП10 с импульсным преобразователем при электротяге переменного тока.

15. Проведены эксплуатационные испытания бортовой системы диагностики ЛИЭМС на электровозе ЭП10, обеспечивающей исключение опасных ситуаций в случае превышения переменных составляющих тягового тока допустимого уровня.

16. Проведена оценка влияния нескольких электровозов, расположенных в фидерной зоне, на работу станционных фазочувствительных рельсовых цепей.