Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Развитие информационной системы, теории и методов дистанционной диагностики контактной сети по параметрам электромагнитных радио- и оптических излучений дугового токосъема

Специальность 05.22.07 -

Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Семенов Юрий Георгиевич

Ростов-на-Дону 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС)

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Жарков Юрий Иванович

Официальные оппоненты: Бадер Михаил Петрович

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Электроснабжение электрических железных дорог» ФГБОУ ВПО МГУПС (МИИТ)

Сидоров Олег Алексеевич

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ФГБОУ ВПО

ОмГУПС (ОмИИТ)

Колпахчьян Павел Григорьевич

доктор технических наук,

заведующий кафедрой «Электрические машины и аппараты» ФГБОУ ВПО РГУПС

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГУПС.

Автореферат разослан «___» _______ 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 218.010.01

д. т. н., профессор В.А. Соломин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Контактная сеть (КС) является важнейшей частью системы электроснабжения железных дорог, должна обладать высокой надежностью. Из всех элементов системы электроснабжения КС находится в самых тяжелых условиях эксплуатации и подвержена постоянному воздействию токоприемников, неблагоприятному воздействию различных метеорологических факторов, в том числе гололеда. При всех воздействиях КС должна обеспечивать бесперебойный и качественный токосъем в самых сложных условиях эксплуатации. Проблема обеспечения надежного токосъема приобретает все большее значение, т.к. в настоящее время состояние КС определяется стадией старения на большей части своей протяженности. По данным Управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО «РЖД» удельная повреждаемость КС на участках со сроком службы более 40 лет превышает среднесетевой уровень и ухудшает надежность работы системы тягового электроснабжения в целом. Это происходит на фоне ежегодного увеличения протяженности КС со сроком службы более 40 лет на 1500…1800 км. В процессе эксплуатации на КС, в том числе из-за старения элементов, их интенсивного и неравномерного износа, изменения различных параметров, возникают сосредоточенные дефекты, нарушающие токосъем. Особенно опасными являются устойчивые дефекты, вызывающие дуговой токосъем при каждом проходе дефекта токоприемником электроподвижного состава (ЭПС). Дуговые нарушения вызывают значительный износ и термическое разупрочнение контактирующих элементов с последующим интенсивным его развитием и возникновению повреждений КС и возможным авариям. По данным за 2012 год доля пережогов проводов в общем количестве повреждений КС составляет 17%. Доля пережогов проводов над токоприемниками также не снижается и составляет 50…65% (данные 2011 г.). В отказах проводов и тросов наиболее повреждаемые - контактные провода (45,4% в отказах проводов и тросов). Дефекты, порождающие дуговой токосъем, являются скрытыми, т.к. КС - объект значительной протяженности, диагностика ее крайне затруднена, автоматизированное обнаружение таких дефектов отсутствует, визуальный поиск неэффективен. Также КС подвержена опасным внешним воздействиям в виде гололедных отложений и от токоприемников ЭПС, имеющих определенные отклонения от норм или получивших определенный дефект уже в процессе работы на линии. Такие воздействия также могут сопровождаться дуговыми процессами при токосъеме, что крайне отрицательно сказывается на состоянии КС, на ее безаварийной работе и безопасности движения. Такие воздействия опасны и приводят к пережогам КС и порождают новые скрытые дефекты, интенсивно развивая уже имеющиеся опасные дефекты. В процессе текущей эксплуатации такие скрытые воздействия требуется обнаруживать на ранней стадии их появления с целью принятия соответствующих мер по их устранению и предупреждающих отказ, появление возможных аварий, что позволит повысить надежность КС и безопасность движения.

Решение проблемы обеспечения высокой надежности КС и качественного токосъема проводится в направлении совершенствования и разработки методов расчета, создание новых более совершенных конструкций КС, токоприемников и их взаимодействия. Значительный вклад в разработку теории, методов расчета, в решение проблем обеспечения качественного токосъема, построения систем и средств контроля основных параметров КС внесли и вносят ученые и инженеры практически всех железнодорожных вузов России, ОАО «НИИЖТ», ведущих проектных институтов и конструкторских бюро, инженеры, занятые эксплуатацией КС и ЭПС, а также ученые и практики зарубежных научных школ.

Определение текущего состояния КС и совершенствование системы ее технического обслуживания по текущему состоянию должно опираться на диагностику. Вместе с тем в эксплуатации автоматизированный контроль текущего состояния КС в настоящее время проводится только при плановых объездах участков вагоном-лабораторией (ВИКС) с периодичностью два объезда участка в квартал. Существующая система контроля текущего состояния КС и нарушений токосъема с использованием ВИКС не имеет пока надежных аппаратных средств регистрации, способных обнаружить многие дефекты КС, сопровождающиеся дуговым токосъемом. Поэтому отсутствуют четкие методологические рекомендации для работников районов по устранению сосредоточенных дефектов с устойчивыми дуговыми нарушениями токосъема. Такая система определения текущего состояния КС только из ВИКС имеет ограниченные возможности. Диагностика из ВИКС не предназначена для обнаружения состояний КС с дуговым токосъемом, возникающим в режиме образования гололеда или для обнаружения токоприемников с имеющимися дефектами. Системы, способные своевременно распознавать начальную стадию оседания гололеда на КС или обнаруживать на линии неисправные токоприемники с дефектами, порождающими дуговой токосъем, в настоящее время отсутствуют. Здесь требуется развитие существующей системы не только в направлении создания автоматизированных систем для ВИКС, распознающих скрытые дефекты КС, но и в новом направлении создания стационарных территориально рассредоточенных систем распознавания режимов ее работы при неблагоприятных внешних воздействиях. Такая задача ставится впервые у нас в стране и в мире.

Дуговые воздействия на КС являются крайне нежелательным и вредным фактором. Но вместе с тем они несут в себе информацию о возникновении и причинах появления дуговых нарушений. Поэтому дуговой токосъем можно использовать как основной признак для распознавания обнаружения гололедных образований на ранней стадии появления, токоприемников с дефектами и устойчивых дефектов КС. Очевидно, что создание предлагаемых систем требует использования дистанционных (бесконтактных) методов регистрации дуги по электромагнитным радио- и оптическим излучениям. Разработки в данном направлении как у нас в стране, так зарубежом носят единичный, фрагментарный и несистемный характер. Такая задача требует исследования предлагаемых диагностических признаков дугового токосъема, прежде всего, с целью определения их достоверности. В такой постановке вопроса данная задача также ставится впервые.

Особенно важно для эксплуатации иметь не только мобильные (для ВИКС) системы и достаточно достоверные средства регистрации дефектных мест с дуговыми нарушениями токосъема, но и конкретные методологические рекомендации по обнаружению дефектов на КС с учетом случайности проявления регистрируемых признаков, а также по использованию полученных результатов для определения степени опасности и очередности устранения устойчивых дефектов. В широком смысле не менее важным вопросом является разработка стационарных систем обнаружения начальной стадии гололедных образований и неисправных токоприемников, разработка методологических и алгоритмических основ достоверного распознавания системой таких воздействий на КС.

Таким образом, возникает научная проблема диссертационного исследования, которая состоит в развитии существующей информационной системы диагностики состояния КС за счет интегрированных в нее новых автоматизированных систем для обнаружения опасных внешних воздействий и скрытых дефектов, в развитии теории и практики создания таких систем на основе исследования бесконтактных методов регистрации, вероятностных моделей оптимальной регистрации диагностических признаков с учетом случайности их параметров и на фоне, создания алгоритмических и методологических основ обнаружения. Решение проблемы позволит более полно определять текущее состояние КС путем своевременного обнаружения опасных дефектов и внешних воздействий по наличию дугового токосъема, оперативное устранение которых в эксплуатации позволит предотвратить возможные отказы и обеспечит значительный вклад в надежную работу КС в рамках всей отрасли.

Актуальность указанной проблемы подтверждается ее соответствием «Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года», а также положениям Технического регламента о безопасности инфраструктуры железнодорожного транспорта (Постановление Правительства РФ 15 июля 2010г. №525) и положениями Технического регламента о безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта (утвержден Постановлением Правительства РФ 15 июля 2010г. №533), где предусматривается создание комплексной системы содержания инфраструктуры ОАО «РЖД». В рамках указанных документов рассматривается постановка вопроса, который входит в направление «Совершенствование управления обеспечением безопасности движения и профилактики аварийности в устройствах электроснабжения» и в частности в приоритетные задачи в области развития систем тягового электроснабжения.

Цель диссертационной работы - повышение надежности электроснабжения и безопасности движения поездов на основе развития информационной системы, теории и методов дистанционной диагностики контактной сети путем создания автоматизированных систем раннего обнаружения скрытых дефектов контактной сети, токоприемников и гололедных воздействий по параметрам электромагнитных радио- и оптических излучений дугового токосъема.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- провести систематизацию типов дефектов КС и токоприемников по признаку повторяемости возникновения дуговых нарушений в местах дефектов;

- дать обоснование достоверности выбранных диагностических признаков, сопровождающих режимы дуговых нарушений токосъема;

- исследовать составы входных сигналов на наличие полезных сигналов и помех, определить их особенности и статистические оценки их параметров в реальных условиях появления дуговых нарушений токосъема;

- разработать основные принципы построения и необходимую структуру автоматизированных систем по определению состояния КС на наличие дуговых нарушений токосъема путем бесконтактной регистрации электромагнитных радио- и оптических излучений;

- разработать теоретическую основу для оптимального выделения системами случайных диагностических признаков от дуговых нарушений токосъема на фоне разнообразных случайных помех, исследовать регистрирующую и обнаруживающую способности предложенных методов и систем регистрации;

- создать алгоритмические и методологические основы обнаружения опасных дефектов КС, дефектных токоприемников и гололедных режимов автоматизированными системами;

- провести анализ возможностей использования и технической реализации бесконтактных систем, основанных на регистрации электромагнитных излучений от дуговых нарушений токосъема в обоснованном диапазоне частот для различных видов тяги;

- разработать технические средства для автоматизированных систем, в виде спроектированных и внедренных в эксплуатацию опытных образцов.

Предметом исследования являются причины и факторы появления режимов дуговых нарушений токосъема на КС; электромагнитные излучения как диагностические признаки, сопровождающие дуговые нарушения токосъема; методы бесконтактной регистрации; принципы построения оптимальных структур систем регистрации, вероятностные модели распознавания диагностических признаков на фоне разнообразных помех, регистрирующая и обнаруживающая способность систем регистрации; аппаратные средства диагностирования.

Научная новизна работы. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых даны новые технические и технологические решения, которые позволяют повысить надежность КС. Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена концепция развития информационной системы дистанционной диагностики КС на основе создания и интеграции в нее мобильных и стационарных систем для раннего обнаружения скрытых дефектов КС, токоприемников и гололедных образований по электромагнитным радио- и оптическим излучениям дугового токосъема.

2. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность и эффективность использования выбранных диагностических признаков для решения поставленной цели.

3. Разработаны принципы построения систем для регистрации дуговых нарушений токосъема.

4. Впервые получены результаты статистических исследований оптических сигналов и радиосигналов в различных режимах дуговых нарушений токосъема и посторонних помех в реальных условиях токосъема.

5. Разработана теоретическая база для решения задач для оптимальной регистрации фактов дуговых нарушений токосъема на основе вероятностных моделей оптимальной фильтрации, принятия решений, регистрирующей и обнаруживающей способности систем регистрации.

6. Созданы методологические основы (стратегия) обнаружения устойчивых дефектов КС мобильными оптико-электронными системами с возможностью принятия решения о наличии устойчивого дефекта по результатам текущего объезда участка ВИКС;

7. Разработаны алгоритмические основы распознавания скрытых дефектов КС, неисправных токоприемников и начальной стадии гололедных образований стационарными радиосистемами.

8. Выявлены области применяемости и возможностей технической реализации бесконтактных методов для решения задачи по созданию систем регистрации дуговых нарушений токосъема.

9. Научная новизна теоретических положений (способов) подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретения и патентом на способ.

Методы исследований. Методологической основой при теоретических и экспериментальных исследованиях является анализ и вероятностный подход к решению проблемы регистрации, обнаружения и распознавания опасных внешних воздействий и скрытых дефектов КС по электромагнитным радио- и оптическим излучениям дугового токосъема.

Теоретическая часть диссертации базируется: на вероятностных моделях оптимального выделения полезных радиосигналов и оптических сигналов от дуговых нарушений токосъема из смеси с различными помехами; на вероятностных моделях обнаружения и распознавания устойчивых дефектов контактной сети, токоприемников и гололедных режимов, составляющих основу методологических и алгоритмических основ их обнаружения. Модели учитывают вероятностный характер уровней регистрируемых параметров и случайность их появления.

Экспериментальная часть основана на статистических исследованиях параметров диагностических признаков регистрации. Экспериментальные исследования проводились на натурных объектах в условиях реального токосъема.

Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на основных положениях статистической радиотехники, основах теории и расчета оптико-электронных приборов, на теории спектрального анализа случайных сигналов и процессов, теории оптимального обнаружения сигналов, теории синтеза электрических цепей, теории принятия решений, теории вероятностей и математической статистики. Достоверность подтверждается результатами натурными испытаниями разработанных образцов радио- и оптических систем регистрации, а также апробацией работы в печати, на международных конференциях и всероссийских конференциях.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанного концептуального подхода к развитию системы текущего состояния контактной сети, на базе проведенных экспериментальных и теоретических исследований созданы системы ранней регистрации опасных режимов дугового токосъема и методологические основы их применения, использование которых позволяет увеличить надёжность электроснабжения и безопасность движения поездов. Системы, разработанные автором, прошли стадию проектирования. Опытные образцы внедрены в эксплуатацию. Планируется использование разработанных автором систем как часть общей системы диагностики инфраструктуры ОАО «РЖД».

Реализация результатов работы. На основании исследований разработаны и внедрены в опытную эксплуатацию:

- оптико-электронная система регистрации дуговых нарушений токосъема для ВИКС ДКИ-2 (ВИКС СКЖД, ЮВЖД, Приволжская ЖД, и др.);

- радиоэлектронная стационарная система регистрации гололедных режимов токосъема и токоприемников УОГ-2005 (СКЖД) - 2005 г.

- выпущен проект стационарной локальной радиосистемы (УОГ-2005) Проектно-конструкторским бюро по электрификации железных дорог - филиалом ОАО «РЖД» №К767.

Работа выполнена в Ростовском государственном университете путей сообщения. Отдельные этапы работы выполнялись в соответствии с приказами МПС, а также в рамках Программы фундаментальных исследований РГУПС на 2001 - 2005 г.г. Разработка образцов автоматизированной радиосистемы для диагностики токосъема проводилась в соответствии с планами НИОКР ОАО «РЖД» на 2002-04 г.г. (номер задания 11.1.28), а также в соответствии с планом НИОКР Северо-Кавказской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» на 2005 г. (Распоряжение ОАО «РЖД» №1414р от 09.09.05 г.).

Основные результаты работы доложены на техническом совете Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», 2003г. (г. Москва); на техническом совете филиала ОАО «РЖД» Северо-Кавказской железной дороги, 2005г. (г. Ростов-на-Дону); на заседании Учебно-методического Совета Федерального агентства железнодорожного транспорта по специальности 190401 - «Электроснабжение железных дорог» с участием заведующих выпускающих кафедр транспортных вузов по данной специальности (г. Омск, 24-27 мая 2011г.); на научно-техническом совете Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», 2011г. (г. Москва); на расширенном заседании кафедры «Автоматизированные системы электроснабжения» Ростовского государственного университета путей сообщения, 2013г. (г. Ростов-на-Дону); на трех международных симпозиумах; на восьми международных научно-практических конференциях; на семи всероссийских научно-практических конференциях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 печатных работ, (в том числе одна монография, 37 статей, из них 12 - в изданиях, определенных ВАК Министерства образования и науки РФ). Получен один патент РФ на способ. Указанные работы опубликованы автором после защиты кандидатской диссертации в 1987 г. В материалах настоящей работы использованы также необходимые важные принципы, остающиеся актуальными и определяемые тремя авторскими свидетельствами на изобретения, полученными автором до 1987г.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 126 источников и 6 приложений. Общий объем диссертации составляет 285 стр.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, ее научное и практическое значение, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе диссертации рассматривается современное состояние системы контроля текущего состояния КС и токосъема. Существующая система контроля токосъема предусмотрена нормативными документами, устанавливающими правила технической эксплуатации КС. Правилами предусмотрен ряд контролируемых параметров КС, определяющих качество токосъема. Существуют также общепринятые показатели качества токосъема, опирающиеся в основном на измерение динамики контактного нажатия токоприемника на контактный провод и регистрацию ударов, подбоев и отрывов токоприемника. Для регистрации используются контактные системы регистрации. Детальное рассмотрение такой системы оценки токосъема показывает, что она в малой степени отвечает современным требованиям эксплуатации. Современная система контроля токосъема предусматривает оценку состояния токосъема на КС при плановых объездах участков только с использованием ВИКС. Автоматизированный диагностический комплекс ВИКС производит съем информации с собственного измерительного токоприемника, и получаемая информация носит условный характер и не позволяет выявить не только некоторые виды дефектов, но и определить их степень опасности и наметить порядок устранения. Отсутствуют также рекомендации персоналу по конкретным действиям по устранению причин нарушений. Ряд опасных сосредоточенных и устойчивых скрытых дефектов КС, нарушающих токосъем, такой системой не регистрируются. Если речь вести об обнаружении сосредоточенных скрытых дефектов КС, нарушающих токосъем, то для этого следует проводить регистрацию дуговых нарушений скользящего контакта на рабочем токоприемнике локомотива, нагруженного током. Регистрация мест нарушений токосъема с дугообразованием даст более объективную оценку и позволит осуществить регистрацию мест с дефектами. Кроме того, при прохождении исправными токоприемниками в районе станций таких локальных узлов КС как секционные изоляторы, воздушные стрелки, сопряжения при их неправильной регулировке возникают дуговые нарушения токосъема, которые могут привести к серьезным повреждениям, особенно при больших скоростях движения по промежуточным станциям.

Регистрация опасных внешних воздействий и скрытых дефектов КС, позволяющая обнаруживать начальную стадию гололедных образований, и токоприемники, работающие на линии и не отвечающие нормам или имеющим дефекты, современной системой не предусматривается. Вместе с тем, раннее обнаружение таких воздействий чрезвычайно важно для эксплуатации с целью принять своевременные меры и не допустить развитие, предотвратить аварии.

Процесс образования дуги в месте нарушения имеет элемент случайности, и это следует учитывать при обнаружении таких мест системами регистрации. В главе приводится анализ сосредоточенных дефектов КС и токоприемников, при которых может возникать дугообразование и разбивка их на группы устойчивых и неустойчивых дефектов. К перечню добавлена группа случайных дугообразований, не связанных с дефектами КС или токоприемников. В главе показано, что устойчивость дефекта и степень его опасности будут зависеть от повторяемости возникновения дуги при проходе токоприемником места с дефектом. Такая разбивка на группы позволяет определить вероятность обнаружения устойчивого дефекта системой регистрации.

Предлагается автоматизированная система обнаружения скрытых дефектов КС и опасных внешних воздействий на КС, которая будет являться важной частью, интегрированной в общую структуру системы диагностики токосъема на КС. Организационная структура предлагаемой системы показана на рис.1.

Рис.1. Организационная структура системы контроля скрытых дефектов и опасных внешних воздействий

Структура предусматривает два направления диагностирования состояния КС на наличие дуговых воздействий. Первое направление - обнаружение начальной стадии гололедных образований и дефектных токоприемников, осуществляемое стационарными территориально-распределенными системами, устанавливаемыми в локальных местах фидерных зон, подверженных прежде всего раннему образованию гололеда, а также в районе станций. Второе направление - это обнаружение устойчивых дефектов КС из ВИКС с помощью бесконтактных мобильных систем оптической регистрации дуговых нарушений.

Регистрация мест с дугообразованием требует использования бесконтактных методов регистрации. Проведенный анализ различных отечественных и зарубежных способов регистрации мест нарушений скользящего контакта, применяемых в ВИКС, показал, что для регистрации нарушений контакта используются контактные методы. Бесконтактные методы практически остаются неразработанными. Работы, посвященные исследованию систем бесконтактной диагностики и самих диагностических признаков дуговых нарушений токосъема, отсутствуют.

Реализация первого направления предлагается в виде стационарной распределенной системы для обнаружения опасных внешних воздействий, показанной на рис.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Укрупненная техническая структура стационарной территориально-распределенной системы регистрации начальной стадии гололедных образований и неисправных токоприемников

Представленная структура предусматривает регистрацию режимов дугового токосъема на локальных участках КС, подверженных, прежде всего раннему образованию гололеда. С целью возможности контроля участка КС достаточной протяженности наиболее приемлемым методом регистрации следует считать радиометод, поскольку использование оптического метода для контроля достаточно протяженного участка по многим техническим причинам затруднено. В предлагаемой системе излучаемые от дуговых нарушений токосъема радиосигналы воспринимаются антенной, проходят первичную обработку специальным радиоприемным устройством РПУ. Распознавание режимов дуговых нарушений осуществляет микроконтроллер МК по заданным алгоритмам. Для передачи сигналов в ЭЧЦ о выявленном режиме дугового токосъема могут быть использованы два канала: прямой канал через систему телемеханики или (и) через персональный компьютер ПК станции и через производственную сеть INTRANET. Преимуществом радиосистемы является то, что контроль дуговых нарушений может осуществляться не только бесконтактно, но и на достаточном удалении от источника радиоизлучения, что позволяет упростить выбор места установки локальных радиосистем.

Для реализации второй части предлагаемой системы, решающей задачи поиска сосредоточенных скрытых дефектов на протяженных участках КС, следует использовать мобильные системы оптической регистрации дуговых нарушений токосъема для ВИКС. Наиболее приемлемым информативным признаком для таких систем представляется оптическое излучение дуговых нарушений токосъема.

В главе сформулированы требования к автоматизированным системам, которым они должны соответствовать в техническом, функциональном и информационном плане. Указывается, что диагностические признаки дугового токосъема будут носить случайный характер и наблюдаться на фоне случайных помех. Поэтому в качестве основных требований к системам являются обеспечение, прежде всего, необходимой информативности признаков и достоверности регистрации режимов при достаточной помехоустойчивости систем. В главе формулируются основные необходимые этапы исследований.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований электромагнитных радио- и оптических сигналов дуговых нарушений в реальных условиях токосъема. Определяются частотные диапазоны электромагнитных сигналов, обеспечивающие наибольшую помехоустойчивость на входе рецепторов систем. Исследуется достоверность выбранных диагностических признаков, поиск их отличительных особенностей, анализируется состав смеси полезных информационных сигналов и помех, разрабатывается необходимые структуры систем регистрации, приводятся статистические характеристики сигналов и помех, необходимые для реализации структуры систем и оценки ее конкретных параметров.

В главе приводятся результаты экспериментальных исследований радиоизлучений в реальных условиях токосъема с помощью измерителей радиопомех при движении ВИКС совместно с пассажирским составом. На рис.3 показан фрагмент записи огибающей радиоизлучения входной смеси сигналов, снятой с линейного выхода амплитудного детектора измерителя радиопомех.

Рис.3. Состав входного радиосигнала:

а) «гладкий» фон; б) дуговой отрыв; в) контактная помеха

Исследованиями радиоизлучений в диапазоне частот от 0,15 до 200МГц установлено и получено следующее.

Радиосигналы одиночных дуговых нарушений представляют собой импульсный процесс со случайной амплитудой, распределенной по нормально-логарифмическому закону, и имеют форму, близкую экспоненциальной, и образуют плотные пакеты со случайным набором импульсов, случайными длительностями и паузами (рис.4).

Рис.4. Пакетная организация радиосигнала от дугового нарушения

Радиосигналы дуговых нарушений (далее - полезный сигнал) наблюдаются на фоне мешающих помех «гладкого» фона, контактных импульсных помех, а также коммутационных импульсных помех от переключений оборудования ЭПС.

«Гладкий» фон можно представить непрерывным случайным процессом, близким к нормальному распределению амплитуды с ненулевым средним.

Коммутационные помехи состоят из одиночных или сдвоенных импульсов и образуют короткие серии, появляющиеся в моменты разгона и торможения ЭПС с редким чередованием импульсов и нормально-логарифмическим распределением максимумов амплитуд.

Контактные помехи представляют собой импульсный случайный процесс со случайной амплитудой и периодом следования импульсов с интенсивностью потока, убывающей экспоненциально с увеличением амплитуды.

Получено панорамное по частотам распределение пиковых уровней полезных сигналов и коммутационных помех и параметры их распределений для участков переменного тока в диапазоне радиоволн 0,15…200МГц. В результате определена область от 10 до 20 МГц, где наблюдается максимальное отношение «полезный сигнал - коммутационная помеха» на входе радиоустройства, определяющая рабочий диапазон работы радиосистемы.

Получены статистические распределения количественного состава импульсов в пакетах радиосигналов и импульсных радиопомех, их длительностей, пауз между импульсами, что позволяет использовать пакетную организацию полезных сигналов как дополнительный признак для различения их от импульсных коммутационных и контактных помех.

Получены оценка энергетического спектра случайных полезных сигналов и спектральная плотность мощности помехи «гладкого» фона и их аппроксимирующие выражения, используемые в дальнейшем для синтеза оптимальных фильтрующих устройств.

Проведенный анализ позволил установить отличительный признак дугового нарушения - пакетную организацию импульсных радиосигналов.

Рис.5. Вероятность появления количества m импульсов в пакетах полезного сигнала

Пакеты импульсов от дуговых нарушений токосъема возникают за счет резких изменений тока дуги в моменты ее неустойчивого горения, чаще всего в момент ее повторного возникновения после перехода тока через нуль в результате электрических пробоев промежутка в нарушенном контакте.

Рис.6. Зависимость температуры точки на поверхности провода у основания дуги в момент первого перехода тока через нуль

Оценка достоверности признака проводилась с использованием метода «источников» путем моделирования температурных условий, способствующих появлению импульсных пакетов: температурой точки контакта с основанием движущейся дуги и температурой остаточного ствола дуги в момент перехода тока через ноль в диапазоне токов от 50 до 400А и различных скоростей движения. Условия появления повторных пробоев оценивались по области токов и скоростей движения, в которых температура контакта не превысит температуру термоэлектронной эмиссии (~750С), и температура остаточного ствола будет не более температуры диссоциации молекул газовой смеси воздуха (~3000K).



Рис.7. Зависимость температуры точки на поверхности угольной накладки у основания дуги в момент первого перехода тока через нуль

Зависимость температуры контакта с основанием движущейся дуги и температура на оси ствола дуги задается интегральными уравнениями, численное решение которых приводит к следующим результатам. Установлено, что в положительный полупериод тока при смене полярности «провод - анод» - «провод - катод» при случайном попадании фазы нулевого перехода тока в длительность отрыва, во всех случаях дуговые нарушения будут сопровождаться импульсными пробоями промежутка для максимальных токов и скоростей движения более 10м/с (см. рис.6). На угольной накладке токоприемника дуга в оба полупериода остается неподвижной и скользит по проводу. В отрицательный полупериод тока при смене полярности «накладка - анод» - «накладка - катод» при случайном попадании фазы нулевого перехода тока в длительность отрыва, случаи повторных электрических пробоев будут возникать только при условии, что область токов составляет менее 50А (см. рис.7). Для больших токов необходимо три условия: если зажигание дуги произошло в отрицательный полупериод тока (повод - катод, уголь - анод), начало зажигания пришлось на время более чем за 3,5мс до окончания полупериода и время горения дуги до перехода тока через ноль не превысило длительность полупериода в 10мс. Установлено также, что температура вблизи оси остаточного ствола дуги при первом переходе тока через нуль для скоростей более 8 м/с не превышает температуру диссоциации газов в составе воздуха и ее можно считать непроводящей.

В отсутствии априорных данных о распределении величины потребляемого тока, случайности длительности дуговых отрывов, случайности фазы попадания нулевого перехода тока появление радиоизлучений как диагностического признака одиночных дуговых нарушений можно оценить только вероятностью. Указанная оценка получена ниже на основе отдельной вероятностной модели (глава 3) при обосновании регистрирующей способности радиосистемы.

Рис.8. Фрагмент огибающей импульсного радиоизлучения дугового токосъема при гололеде

Проведено экспериментальное исследование радиоизлучений, возникающих от дугового токосъема, в реальных условиях начала образования гололеда на участке переменного тока. Выявлены и статистически подтверждены отличительные особенности радиосигналов от дугового токосъема в режиме гололеда, состоящие в выборе минимального числа импульсных сигналов, регистрируемых в одном полупериоде тока, и в общей длительности всего процесса. Проведенный статистический анализ и полученные гистограммы распределений амплитуд и фаз чередования импульсных радиосигналов свидетельствует, что при гололедном режиме импульсные выбросы большого уровня (импульс 2 на рис.8) образуются пробоями промежутка в начале полупериода тока, а выбросы меньшего уровня (импульс 1 на рис.8) - срезами тока перед подходом тягового тока к нулевому значению. Результаты статистической обработки позволяют считать справедливым предположение о причинах появления импульсных помех значительного уровня как минимум два раза за один полупериод тягового тока. Такой процесс будет длительным, и его время будет определяться временем прохождения ЭПС гололедного участка. Эти факторы позволяют отличить режим дугового токосъема при гололеде от других похожих режимов. электроснабжение токосъем электромагнитный

Для систем оптической регистрации необходим правильный выбор области спектральной чувствительности фотоприемника, обеспечивающего наибольшее отношение «сигнал - фон» на своем выходе. Такой фотоприемник должен быть наилучшим образом согласован со спектром излучаемого сигнала, и иметь наибольшее рассогласование со спектром фона. При определении спектрального диапазона, обеспечивающего наибольшее превышение сигнала над фоном, использовался относительный коэффициент использования излучения, как отношение коэффициентов использования спектра полезного сигнала и использования спектра фона. В качестве спектра сигнала выбиралось два температурных режима дуги. Поскольку спектральная характеристика излучения от дуговых отрывов меняется даже в процессе одного дугового нарушения, то для оценки спектра излучения дуги использовался самый неблагоприятный случай максимальных токов дуги (в расчетах принят ток 1200А). Дуга при таких токах излучает как абсолютно черное тело (АЧТ) с соответствующей току температурой плазмы 7700K. Для условий перегрузочного искрения в контакте «медь - медь» происходит разбрызгивание расплавленных частиц меди с температурой плавления T=1365K, а в контакте «уголь - медь» - расплавленных частиц углерода с температурой плавления T=3820K. Такие нагретые точки контакта и разбрызгиваемые частицы излучают непрерывный спектр, соответствующий излучению АЧТ с указанной температурой. Для получения расчетных значений относительного коэффициента использования излучения спектр мешающего фона задавался в виде спектра дневного неба (справочные данные). Установлено, что достаточным быстродействием и наибольшим коэффициентом в сравнении с кремниевыми структурами обладают фотоприемные структуры на основе германия, как для режима дуговых нарушений, так и перегрузочного искрения. Такие структуры работают в области спектра с длиной волны 0,2 до 2 мкм. В указанной области спектра проводилась экспериментальные исследование излучений от дуговых отрывов в реальных условиях движения ВИКС с пассажирским составом на участках постоянного и переменного тока. Характерные формы оптических сигналов показаны на рис.9 и рис.10.

Анализ полученного массива данных показал, что фотопотоки представляют собой импульсы случайной амплитуды, длительности и формы, которые не могут быть заданы аналитически. Это обстоятельство требует, учитывая многообразие форм сигналов, вероятностного подхода и определения усредненного по множеству сигналов их энергетического спектра. При исследованиях получены усредненные энергетические спектры оптических сигналов и помех «гладкого» фона дневного неба, представленного нормальным случайным процессом с ненулевым средним, из аддитивной смеси с которым необходимо выделить полезные сигналы. Установлено также, что распределение длительностей дуговых нарушений подчинено закону Релея. Диапазон длительностей составил от 1 до 50 мс.



а) б) в) г)

Рис.9. Характерные сигналы от одиночных дуговых нарушений токосъема на участках переменного тока (развертки 0,1 В/дел, 5 мс/дел): а) и б) при больших токах тяги; в) при токе собственных нужд; г) при перегрузочном искрении

а) б) в) г)

Рис.10. Характерные сигналы от одиночных дуговых нарушений токосъема на участках постоянного тока (развертки 0,1 В/дел, 5 мс/дел): а) и б) при больших токах тяги; в) при токе собственных нужд; г) при перегрузочном искрении

Анализ полученных результатов экспериментального исследования состава и случайных параметров электромагнитных радио и оптических полезных сигналов и сигналов помех требует построения следующих структур систем регистрации (рис.11 и рис.12), на которых выделены задачи, требующие теоретического обоснования с целью обеспечения достоверности регистрации, оптимальной регистрации и помехоустойчивости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.11. Структура локальной системы радиорегистрации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.12. Структура мобильной системы оптической регистрации

Обе структуры требуют обоснования и теоретического решения следующих задач, общих для обеих систем:

1) Определение частотного диапазона с максимумом отношения «входной сигнал - помеха» (обоснование выбора частотных областей произведено выше);

2) Оптимальная фильтрация полезных импульсных сигналов случайной формы из смеси с «гладкими» помехами фона.

3) Оптимизация порогов принятия решений о пропуске на алгоритмический анализ последовательностей импульсных сигналов;

4) Разработка алгоритмов распознавания импульсных полезных сигналов из последовательности с импульсными контактными и коммутационными помехами и определение регистрирующей способности систем.

Третья глава посвящена решению нескольких теоретических задач. Построение систем регистрации дуговых нарушений токосъема требует использования оптимального подхода к построению ее структуры. Начало главы посвящено теоретическим вопросам построения узлов оптимальной фильтрации полезных случайных аналоговых сигналов от дуговых нарушений токосъема из смеси с «гладкими» помехами и построению оптимальных (квазиоптимальных) фильтрующих устройств систем регистрации. Случайность и многообразие форм принимаемых импульсных сигналов от дуговых нарушений не дает возможности построить оптимальный фильтр в классическом его понимании. Для оптимизации в работе предложен критерий максимального отношения средней мощности полезного сигнала к средней мощности «гладкой» помехи на выходе фильтрующего звена с передаточной функцией K(щ):

(1)

где - средний по времени квадрат амплитуды i-го сигнала на выходе звена; - средний по времени квадрат амплитуды помехи на выходе звена; S_i() - модуль спектральной плотности i-го сигнала; K() - модуль передаточной функции искомого фильтра; G_п() - энергетический спектр мощности помехи; T_i - длительность i-го сигнала.

Максимизация (1) по множеству случайных сигналов приводит к следующему выражению для амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) оптимального фильтра:

, (2)

где G_п() - усредненный энергетический спектр мощности по всем импульсным сигналам; А - постоянная величина; W₀() = const - спектральная плотности «белого» шума.

По выражению (2) с учетом полученных выражений аппроксимаций спектральной плотности полезных сигналов и фоновых помех синтезированы АЧХ квазиоптимальных фильтров для систем радиорегистрации в виде RC-фильтров первого порядка и активных RC-фильтров второго порядка - для систем оптической регистрации.

В главе рассматриваются вопросы определения помехоустойчивости, под которой понимается вероятность правильной регистрации импульсных полезных сигналов одиночных дуговых нарушений токосъема, вероятности их пропуска и вероятности появления ложных импульсов от помехи «гладкого» фона.

Таблица 1 Теоретические соотношения к оптимизации порогов регистрации импульсов полезных радио- и оптических сигналов в смеси с гладким фоном

Параметр	Формула	Номер формулы
Радиометод	Вероятность пропуска импульсов полезных радиосигналов		(3)
	Условная плотность вероятности помехи на выходе фильтра		(4)
	Плотность вероятности сигнала на входе фильтра		(5)
Оптический метод	Вероятность пропуска импульсов полезных оптических сигналов		(6)
	Плотность вероятности амплитуды сигнала на выходе фильтра		(7)
	Условная плотность вероятности «гладкой» помехи на выходе фильтра		(8)
Общие соотношения	Оптимальный порог		(9)
	Среднеквадратическая частота «гладкой» помехи на выходе фильтра		(10)
	Среднее время повторения и интенсивность потока ложных импульсов		(11)
	Плотность вероятности «гладкой» помехи на выходе фильтра		(12)
	Среднеквадратическое отклонение помехи на выходе фильтра		(13)
	Вероятность прохождения на регистрацию ложных импульсов		(14)

Основные теоретические соотношения, определяющие выбор оптимальных порогов принятия решений о пропуске отфильтрованных импульсных сигналов на алгоритмический анализ приведены в таблице 1. В таблице 1: X - текущее значение амплитуды импульсного радиосигнала, дБ; X - среднее значение амплитуд импульсных радиосигналов сигналов, дБ; x_п - оптимальный порог принятия решений, В; В - полуслучайная амплитуда импульсов радио сигналов, В; - среднеквадратическое отклонение пиковых значений импульсных радиосигналов, дБ; ₀ - среднеквадратическое отклонение «гладкого» фона, В; x_в - сигнал «гладкой» помехи на выходе фильтра, В; y и y_в - соответственно уровень полезного сигнала на входе и выходе фильтра, В; _y - параметр распределения Релея для амплитуд импульсных сигналов на выходе фильтра, В; G_пв(f) - энергетический спектр помехи на выходе фильтра, В²с.

Соотношение (3) найдено с использованием (4) и (5), соотношение (6) найдено с использованием (7) и (8). Для оптимизации порога принятия решений при неизвестных априорных вероятностях появления сигналов использован критерий Пирсона, минимизирующий вероятность пропуска полезных сигналов при заданной допустимой частоте ложных выбросов. Для выбранного критерия оптимальный порог может быть определен с помощью программ или графическим методом по кривым обнаружения в следующем порядке:

- по известной передаточной функции К(f) оптимального фильтра и известной спектральной плотности мощности помехи фона G_п(f) рассчитывается спектральная плотность мощности помехи на выходе фильтра: G_пв(f) = К²(f)·G_п(f);

- по (10) рассчитывается (среднеквадратическое значение частоты сигнала «гладкой» помехи f_ш;

- задаются (11) допустимым средним временем повторения выбросов случайного процесса фона на выходе фильтра Т_лт и по (9) определяют пороговое значение x_п;

- по известным у₀, у_y (для оптических сигналов) или у (для радиосигналов) и x_п методом численного интегрирования вычисляются интеграл (6) для системы оптической регистрации или (3) для системы радиорегистрации и интеграл (14), тем самым рассчитывают оптимальные значения P_лв = k при P_пр = min, определяющие помехоустойчивость систем на выходе порогового элемента структуры.

В главе дается теоретическое обоснование определения регистрирующей способности систем радио- и оптической регистрации. Основные теоретические соотношения, определяющие регистрирующую способность, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Теоретические соотношения к определению регистрирующей способности системы радиорегистрации

Параметр	Формула	Номер формулы
Вероятность появления импульсных излучений дугового нарушения (наличие признака)		(15)
Вероятность превышения порога срабатывания полезным сигналом		(16)
Вероятность идентификации пакета		(17)
Вероятность регистрации дугового нарушения		(18)
Вероятность ложных тревог от коммутационных помех		(19)
Вероятность ложных тревог от контактных помех		(20)

В таблице 2: T - период тягового тока; - среднеквадратическое отклонение амплитуд импульсных сигналов; t_min - минимальное время от начала полупериода тока, удовлетворяющее условиям появления импульсного пробоя промежутка (см. описание главы 1); d - порог по количеству импульсов в пакете, свыше которого принимается решение о факте дугового нарушения; b_mi - число пакетов помех в i-м интервале количества с набором m импульсов; n - количество интервалов по количеству; N_п - общее число пакетов помехи; k_mi - число пакетов сигнала в i-м интервале количества с набором m импульсов; N_с - общее число пакетов сигнала; d_i = 1, 2, …n; t_ид - пороговое время пауз между соседними импульсами в пакете, по которому идентифицируется пакет; - интенсивность потока контактных помех.

Выражение (15) найдено с помощью модели, определяющей вероятность попадания момента перехода тока через нуль в случайную длительность дугового нарушения, распределенную по закону Релея (установлено экспериментально путем регистрации длительностей дуговых нарушений) и для равномерного распределения случайной фазы нулевого перехода от начала полупериода. Выражение (15) учитывает вероятность отсутствия импульсных радиосигналов при температурных условиях воздействия дуги, изложенных в описании главы 2. Выражение (16) найдено с использованием (3), выражение (17) определяет вероятность регистрации пакета полезного сигнала по установленному порогу d количества импульсов в пакете. Выражение (18) находится с использованием (15), (16), (17), выражение (20) найдено с использованием закона Пуассона и определяет вероятность появления в последовательности анализируемых импульсов, ложных пакетов, состоящих из m 3 импульсов.

В таблице 3 приведены финальные расчетные данные, определяющие регистрирующую способность и помехоустойчивость методов.

Таблица 3

Параметры, определяющие регистрирующую способность систем

Метод	Параметр	Обозначение	Значение*
Радиорегистрации	Регистрирующая способность радиосистемы на фоне «гладких» и коммутационных помех	Pр	0,56
	Вероятность ложной регистрации на фоне контактных помех	Pлр	0,0013
	Вероятность ложных решений от воздействия коммутационных помех и выбросов «гладкого фона» (см. таблицу 2, выражение (19))	Рлт(d = 2)	0
	Вероятность пропуска импульсов полезного сигнала на анализ принадлежности к пакетам	Pпр	0,04
Оптический	Регистрирующая способность системы на фоне «гладких» помех	Pр	0,738 0,875
	Вероятность ложной регистрации при заданной частоте ложных тревог (2 срабатывания на 10 км пути)	Pлр	3,3·10-6 3,8·10-6

(*) - числитель - постоянный ток; знаменатель - переменный ток.

В четвертой главе приводятся методологические и алгоритмические основы обнаружения, токоприемников и гололедных режимов стационарными радиосистемами и устойчивых дефектов КС мобильными системами оптической регистрации по появлению дуговых нарушений токосъема в месте дефектов. Способность системы обнаруживать тот или иной опасный режим дуговых нарушений токосъема должна оцениваться вероятностью обнаружения, которая зависит от регистрирующей способности и методологии обнаружения.

Система радиорегистрации. Для обнаружения гололедных режимов и неисправных токоприемников по дуговым нарушениям токосъема может использоваться стационарная система контроля, основанная на принципе радиоприема. Система должна производить распознавание следующих режимов дуговых нарушений: гололедного режима; дуговые нарушения от неисправных токоприемников; одиночные дуговые нарушения от режимов, не связанных с указанными режимами дугового токосъема (подъем или опускание токоприемников, проход секционных изоляторов, воздушных промежутков с разным уровнем напряжения на секциях и др.). Распознавание режимов должно производиться микроконтроллером системы по определенному алгоритму. Радиосистема регистрирует радиосигналы, возникающие от дуговых нарушений токосъема при проходе токоприемником контрольного участка контактной сети, содержащего несколько пролетов в виде контрольных отрезков (два смежных пролета). Способность системы обнаруживать тот или иной опасный режим дуговых нарушений токосъема должна оцениваться вероятностью обнаружения, которая зависит от регистрирующей способности и методологии обнаружения.

...