Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы бесперебойного электропитания микропроцессорных комплексов железнодорожной автоматики и телемеханики

Специальность 05.22.08- «Управление процессами перевозок»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ШАТОХИН Виталий Анатольевич

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2007

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Никитин Александр Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Безродный Борис Федорович

кандидат технических наук, доцент Бушуев Сергей Валентинович

Ведущее предприятие: Институт проблем транспорта РАН

Защита состоится 7 ноября 2007 г. в 13 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации (в двух экземплярах), просим направлять в адрес Ученого совета.

Автореферат разослан «. . .» октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, кандидат

технических наук, доцент Е.Ю. МОКЕЙЧЕВ



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В транспортной системе страны из всех видов транспорта железнодорожный транспорт является на сегодняшний день самым безопасным. Важная заслуга в этом принадлежит системам железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). Применение систем ЖАТ на современной элементной базе, таких как релейно-процессорные (РПЦ) и микропроцессорные (МПЦ) централизации стрелок и сигналов на станциях, микроэлектронные системы автоматической блокировки на перегонах и др., обозначило смену поколений оборудования ЖАТ. Особую актуальность для обеспечения безопасности, отказоустойчивости, долговечности и живучести микроэлектронного оборудования приобретает качество и бесперебойность их электропитания. Совершенствованием систем электропитания (СЭ), решается часть общей проблемы электроснабжения всего микропроцессорного комплекса (МПК), состоящего из нескольких взаимоувязанных систем ЖАТ. Создание СЭ, отвечающих требованиям прогрессивных систем ЖАТ, является одной из важнейших задач в деле повышения пропускной способности транспорта и обеспечения безопасности движения поездов.

Большой вклад в решение проблем электропитания ЖАТ внесли Д.А.Коган, З.П.Эткин, М.М.Молдавский, В.Р.Дмитриев, С.Б.Сергеев, В.П.Багуц, Н.П.Ковалев, А.М.Костроминов, А.Ф.Петров, В.А.Кононов и др. Но с переходом на новую элементную базу возникают новые проблемы. Поэтому научное исследование, направленное на создание СЭ МПК ЖАТ следует признать актуальным.

Сущность проблемной ситуации состоит в противоречии между вновь вводимыми МПК ЖАТ и существующими СЭ, неспособными обеспечить бесперебойное, то есть непрерывное во времени, электропитание этих комплексов. Ситуацию осложняют следующие проблемы: отсутствие корректной нормативной базы по созданию и эксплуатации СЭ; несовершенство технических решений по организации электропитания, которые к тому же вступают в противоречие с новой редакцией «Правил устройства электроустановок»; отсутствие в терминологии гармонизации с общепромышленными СЭ; обеспечение электромагнитной совместимости более чувствительного к помехам, по сравнению с релейными ТС, микроэлектронного оборудования и т.п. В то же время не только современные ТС как потребители предъявляют повышенные требования к СЭ, но и СЭ диктуют требования потребителям с целью энергосбережения и повышения надежности комплекса систем в целом за счет упрощения и сокращения элементов. Только комплексный подход, предусматривающий сбалансированное взаимодействие оборудования внешней энергосистемы, внутрипостовых устройств электропитания и конечного оборудования потребителей, позволяет достигнуть высоких экономических показателей и обеспечить непрерывность перевозочного процесса.

С учетом анализа состояния решаемой научной проблемы целью диссертации является разработка методов обеспечения бесперебойного электропитания, и на основе этих методов осуществление синтеза системы бесперебойного электропитания МПК ЖАТ.

Для достижения указанной цели необходимо провести исследование по следующим направлениям:

- оценка отечественных и зарубежных СЭ с точки зрения применимости к МПК ЖАТ;

- оценка степени унификации напряжений электропитания ТС ЖАТ;

- разработка оптимальной структуры СЭ и требований к её элементам;

- разработка методов обеспечения безопасности и электромагнитной совместимости СЭ;

- разработка методов проектирования и технического обслуживания СЭ.

СЭ ЖАТ выделились в самостоятельный класс ТС со своими сложившимися правилами и особенностями эксплуатации. Поэтому объектом исследований является система электропитания МПК ЖАТ, а предметом - методы обеспечения бесперебойного электропитания при минимальных издержках.

В диссертационной работе методы исследования основывались на теориях вероятностей, математической статистики, надежности и теории управления запасами. коммутационный напряжение постовой безопасность

Научная задача диссертационной работы состоит в оптимизации синтезируемой СЭ и разработки комплекса научно-обоснованных методик обеспечения безопасности и электромагнитной совместимости СЭ МПК ЖАТ, а также методов их проектирования и технического обслуживания.

Основными результатами диссертационного исследования, выносимыми на защиту, являются:

1. концепция организации электропитания МПК ЖАТ;

2. метод оптимизации структуры СЭ;

3. метод проектирования СЭ и выбора оборудования;

4. методы обеспечения безопасности и ЭМС СЭ МПК ЖАТ;

5. процедуры технического обслуживания синтезированной СЭ.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, достигается использованием методологических принципов, разработанных в трудах известных ученых в области энергоснабжения, надежности, теории оптимизации. Научные положения обоснованы теоретическими исследованиями и подтверждены экспериментальной проверкой и практической реализацией на сети железных дорог, в проектных и учебных институтах железнодорожного транспорта.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

1. Выполнен анализ отраслевой нормативной базы по обеспечению электропитания ЖАТ, а также существующих методов и средств обеспечения бесперебойного электропитания ЖАТ.

2. Впервые предложен принцип интеллектуального управления потреблением электроэнергии на основе решения задачи оптимизации.

3. Предложен принцип нормирования атмосферных и коммутационных перенапряжений на постовые системы ЖАТ, учитывающий экономический аспект применения защитных устройств.

4. Впервые предложены методы и технические средства, позволяющие повысить безопасность движения при применении программно управляемых преобразователей напряжения.

6. Предложены принципы технического обслуживания с учетом особенностей современных программно-аппаратных устройств.

7. Сформулированы эксплуатационно-технические требования к СЭ ЖАТ.

8. Предложен уточненный метод расчета токов короткого замыкания в СЭ.

9. Разработаны принципы формирования пользовательского интерфейса, условные графические изображения и индикация для диагностики и мониторинга СЭ.

В соответствии с законом о техническом регулировании N184-Ф3, вступившем в действие с 01.07.2003, многие технические вопросы будут решаться не государством, а профессиональным сообществом (отдельными министерствами, ведомствами, институтами и специалистами). Государство отказывается от подробного регулирования многих технических вопросов, которое имело место ранее, за исключением особо важных, например, имеющих непосредственное отношение к жизни и здоровью людей. Это приведет к резкому сокращению финансирования со стороны государства разработок многочисленных ГОСТов, руководящих указаний, инструкций, типовых проектных решений и т.п. Учитывая еще и то, что свободные рыночные отношения сопровождает широкий ассортимент предлагаемой продукции можно утверждать о том, что задача потребителя по выбору оборудования, оптимально реализующего необходимые ему функции, значительно усложнилась и данная тенденция в дальнейшем будет еще больше усиливаться. Поэтому необходимо дать эксплуатирующим и проектным организациям научно-обоснованные нормы и технические решения, основывающиеся на современных подходах в разработке СЭ. В этой связи практическую значимость приобретают разработанные в диссертационной работе инженерные методики распределения функций управления и контроля между техническими средствами СЭ и ЭЦ при разработке новых ЖАТ; обоснования рациональной структуры аппаратных средств СЭ с учетом технологии работы станции, рекомендации по обеспечению унификации пользовательского интерфейса в системах диагностики и мониторинга СЭ ЖАТ, а также методы проектирования и технического обслуживания СЭ.

Апробация работы. Полученные в диссертации результаты использованы в следующих организациях:

Департаментом «Автоматики и телемеханики» ОАО «РЖД»:

· Теоретические и экспериментальные результаты работы использованы при разработке и внедрении отраслевых нормативных документов (ОСТ, РТМ, РД), а также памяток ОСЖД.

· Утверждены технические решения по устройствам электропитания УЭП-МПК, и по увязке УЭП-МПК с МПЦ МЗ-Ф.

Испытательным центром железнодорожной автоматики и телемеханики ИЦ ЖАТ ПГУПС по программам и методикам, разработанным автором и при его непосредственном участии испытаны:

· Счетчик электроэнергии с функцией контроля качества разработки фирмы «Эльстер-Метроника» (Россия-Германия).

· Зарядные устройства фирм СКАН (Россия), Deutronic (Германия), PowerNet (Германия), Michael Riedel (Германия).

· Устройства бесперебойного питания производства фирм GE Digital Energy (Швейцария), MGE (Франция), Riello (Италия), Elteco (Словакия), AEG (Германия), Liebert (Германия), ЗАО «Ирбис-Т» (Россия).

· Дизель-генераторные агрегаты производства фирм Gesan (Испания), F.G.Wilson (Великобритания), Президент-Нева (Россия), КТН (Латвия).

· СЭ для МПЦ «ЭЦ-ЕМ» разработки ОАО «Радиоавионика» (Россия), для МПЦ «МЗ-Ф» совместной разработки ООО «Форатек АТ» (Россия) и фирмы Siemens (Германия), МПЦ «Ebilock 950» разработки компании ООО «Бомбардье Транспортейшн (Сигнал)» (Россия-Щвеция).

При участии автора разработаны проекты и комплекты рабочей документации проектными институтами:

· Гипротранссигналсвязь - для станции Рождество Юго-Восточной ж.д., для вновь проектируемой станции Уктус-Керамик Свердловской ж.д., проект типовых материалов для проектирования УЭП-МПК.

· Казжелдорпроект - для станций Сай-Утес и 9 разъезд Национальных ж.д. республики Казахстан.

· Уралгипротранс - для станций Западная Качканарского ГОК и Тыдыл Ямальских национальных ж.д.

· Ленгипротранс - для станций Санкт-Петербург-Сортировочный-Московский 5 и 2 парки, Обухово и Пихтовая Октябрьской ж.д.

· Омскжелдорпроект - для станции Каштан Красноярской ж.д.

· Красноярскжелдорпроект - для станции Балай Красноярской ж.д.

· Желдорпроект Поволжъя - для взаимоувязанного комплекса станций Кинель ЭЦ-I, ЭЦ-II, ЭЦ-III Куйбышевской ж.д.

· Воссибтранспроект - для станции Красный Кордон Красноярской ж.д.

· ПКФ-Проект - для станции Тигей Красноярской ж.д.

На железных дрогах прошли все стадии испытаний и введены в постоянную эксплуатацию следующие СЭ:

· Октябрьская ж.д. - 4 станции;

· Юго-Восточная ж.д. - 1 станция

· Качканарский ГОК - 1 станция

· «Казахстан Темир Жолы» - 2 станции.

Публикации по теме работы. Основные положения и результаты диссертации были доложены на научно-технических советах и заседаниях рабочих групп по проблемам электропитания ЖАТ Департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД», на 12 российских и международных конференциях, семинарах и симпозиумах. Диссертационная работа обсуждалась и получила одобрение на расширенном заседании кафедры «Автоматика и телемеханика на ж.д.» ПГУ ПС в июне 2007 г. ,Опубликовано 30 печатных работ, из них 4 нормативных документа и 6 печатных работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 169 страниц основного текста и состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приводится краткий обзор состояния основных вопросов, определены цель и задачи исследования.

В первом разделе проведен анализ отраслевой нормативной базы и существующих способов построения СЭ. Анализ современного состояния проблемы показал, что отсутствует корректная нормативная база по обеспечению бесперебойного питания ЖАТ и обоснование выбора типа устройства бесперебойного питания (УБП) и аккумуляторной батареи (АКБ). Определены задачи исследования, заключающиеся в необходимости разработки структуры СЭ и требований к ее элементам, методики оценки безопасности и электромагнитной совместимости СЭ, методов проектирования и технического обслуживания СЭ. Обозначенные задачи определили дальнейшие исследования, проводимые в следующих разделах диссертационной работы.

Во втором разделе решена задача оптимизации структуры СЭ с использованием методов теории управления запасами, осуществлен синтез структуры СЭ микропроцессорных комплексов ЖАТ.

В период опытной эксплуатации УЭП-МПК на станции Петербург - Сортировочная - Московская Октябрьской ж.д. была выявлена закономерность, заключающаяся в неравномерном характере загрузки УБП в зависимости от технологии и объемов работы станции, размеров движения, степени заполнения приемо-отправочных путей и т.п..

Статистически, на основе протоколов работы УБП определен характер потребления мощности нагрузками и установлено, что предельные значения потребления обусловлены увеличением потребляемой мощности кратковременно стрелочными электроприводами и продолжительно рельсовыми цепями при максимальном заполнении путей. При этом до 90% общего времени наработки СЭ загрузка УБП не превышала 25% от максимально возможной нагрузки, на которую она была рассчитана. Обнаруженная закономерность упрощенно представлена на рис. 1. При этом в основной временной интервал, длиной t₁ и от t₂ и далее потребляемая мощность невелика и равна Р_дл. Промежутку t₁ - t₂ соответствует увеличенное потребление мощности Р_макс, обусловленное технологическим процессом работы станции.

(1)

Очевидно, что повышение коэффициента использования ресурсов влечет снижение стоимости оборудования по отношению к единице выполняемой работы. В этой связи возникает задача выбора оптимальной мощности вводных, выпрямительных, преобразовательных устройств и емкости АКБ, составляющих СЭ.

Другим негативным аспектом малого значения коэффициента использования УБП является завышение проектной мощности ДГА. Это влечет за собой сокращение времени безотказной работы ДГА, так как для него является крайне неблагоприятным работа на нагрузку, составляющую менее 30% от его номинальной мощности, что имеет место в 90% случаев. В тоже время ДГА в первые моменты времени после запуска не может взять на себя более 60% мощности от своего номинального значения. Следовательно, необходимо обеспечить, чтобы мощность, отбираемая от ДГА в первый момент после запуска, находилась в пределах от 30 до 60 % его номинальной мощности. Реализация данного требования напрямую зависит от выбора мощности УБП с обеспечением необходимой степени ее загруженности, то есть от оптимизации работы УБП.

Постановка задачи. Для использования оптимизационных методов при проектировании СЭ разработана «скелетная схема» (рис.2) функционирования системы, то есть структура взаимосвязей оптимизируемых узлов (вводные устройства, АКБ, выпрямитель, зарядное устройство и инвертор). Задача оптимизации сводится к выбору параметров составляющих элементов и режимов их работы, соответствующих наилучшему значению характеристического показателя качества функционирования СЭ.

Решение задачи. Для соединения в проекте непрерывно действующего УБП с нагрузкой, характеризующейся неравномерным потреблением электроэнергии, предлагается подход решения задачи простой системы управления запасами. Роль производителя играют вводные устройства и выпрямитель, роль склада - АКБ, роль продавца - инвертор, роль потребителя - нагрузки ЖАТ. При этом потребительский спрос имеет неравномерный характер и зависит от технологии эксплуатационной работы станции. Характеристики энергопотребления и пиковых нагрузок предполагаются заданными, так как определяются внешними по отношению к системе факторами.

Мощность вводных устройств Р_ву рассчитывается по формуле:

, где (2)



_вп и _инв - соответственно к.п.д. выпрямителя и инвертора;

k_вп - коэффициент, учитывающий дополнительные потери мощности из-за нелинейности входной цепи выпрямителя;

Р_н - мощность нагрузки;

Р_з - мощность, расходуемая на заряд АКБ, определяемая по формуле:

, где (3)

U_АКБ - напряжение АКБ;

k_з - коэффициент, определяющий ток заряда в зависимости от емкости С_АКБ , который варьируется от 0,05 до 0,2 в зависимости от типа АКБ.

В самом простом случае можно выбрать Р_н = Р_макс. При этом в течение длительного интервала времени, которому соответствует потребление электроэнергии Р_дл, работа УБП будет осуществляться с недогрузкой. С другой стороны, можно было бы выбрать такой режим работы УБП, который бы позволял обеспечить требуемую энергию в нормальном режиме, а для обеспечения пиковых нагрузок использовать энергию, запасенную в АКБ. В интервалах времени, когда потребление незначительно, осуществляется подзаряд АКБ (пополнение запаса) для последующего использования при увеличении потребления. При этом оптимальная емкость батареи С_опт будет складываться из емкости неприкосновенного запаса С_нз для обеспечения нагрузки при отсутствии фидера и дополнительной емкости С_доп, компенсирующей пиковое потребление. Все промежуточные проекты отличаются от рассмотренных различными сочетаниями использования запасов накопленной электроэнергии в АКБ. Задача заключается в выборе оптимального проекта.

Характеристический показатель качества проекта естественно выбрать в виде полных затрат, которые включают затраты на эксплуатацию УБП, а также капитальные вложения, связанные с приобретением оборудования СЭ. Основными независимыми переменными являются: 1) Р_вп - проектная мощность выпрямителя; 2) Р_инв - проектная мощность инвертора; 3) С_АКБ - проектная емкость АКБ. Предполагается, что основной характеристикой СЭ является отдаваемая нагрузке мощность Р_н, при этом должно обеспечиваться ее непрерывное питание от АКБ при отсутствии входного фидера в течение 1 часа ().

Модель системы включает основные соотношения, с помощью которых можно описать взаимосвязи независимых переменных. Емкость АКБ определяется количеством электричества (Ач), которое она может отдать при разряде от начального до конечного напряжения:

, где и при u_инв = u_н = const (4)

Из рис.1 следует, что количество электроэнергии, которое должно быть запасено в АКБ, равняется сумме энергии для длительного режима работы (площадь прямоугольника ограниченная прямой Р_дл от 0 до t=60 мин) и дополнительной энергии для пикового потребления (площадь прямоугольника ограниченного кривой потребления между точками t₁ и t₂, Р_макс и Р_дл, тогда:

С_доп = k(Р_макс - Р_дл) (t₂ - t₁) (5)

Работа СЭ определяется из условия:

(6)

При этом должен обеспечиваться подзаряд АКБ в период снижения нагрузок. Характеристический показатель качества проекта включает капитальные вложения в оборудование вводных и выпрямительных устройств:

С₁ = а₁ + а₂Р_ву,

где а₁ и а₂ - эмпирические параметры, связанные с затратами на комплектацию оборудования, где константа а₁ - независимая составляющая от производительности СЭ, а коэффициент а₂ связан с изменением мощности. Капитальные затраты на АКБ находятся с помощью зависимости

С₂ = (b₁ + b₂ +b₃) С_бат ,

где b₁, b₂, b₃ - эмпирически определяемые константы, отражающие удельные зависимости капитальных вложений на приобретение (b₁), эксплуатационные расходы на капитальный ремонт (b₂) и содержание (b₃) АКБ. Таким образом, функцию полных издержек можно записать в следующем виде:

Q = а₁ + а₂Р_ву + (b₁ + b₂ +b₃)C_АКБ (7)

Задача оптимизации заключается в минимизации функции (7) путем соответствующего выбора значений Р и C, удовлетворяющих (5) и (6).



Если изобразить линии уровня функции полных затрат на плоскости с координатами Р и C, то можно найти точку минимума. Определение в этом случае оптимальной емкости АКБ представляет собой классическую задачу оптимизации, для решения которой предлагается использовать так называемую модель определения наиболее экономичного размера заказа. В рамках этой модели принимается спрос равномерным в течение года. Рис. 3 иллюстрирует изменение объема запаса с течением времени. Для того, чтобы упростить задачу, предполагаем, что спрос удовлетворяется немедленно, а пополнение осуществляется сразу же, как только запасы иссякают (доходят до критического значения на уровне «А»).

В точке Т₀ объем запасов равен В, затем при увеличении размеров движения в СЭ расходуется часть электроэнергии АКБ и запас уменьшается с интенсивностью и достигает предельного значения в точке D. Дальнейшее использование запаса недопустимо, поскольку он представляет собой «неприкосновенный запас» для обеспечения аварийного режима в случае пропадания внешних фидеров. Следующий такт должен обеспечивать сначала восстановление запаса (заряд АКБ) и последующее его использование. Треугольник АВD представляет собой один цикл управления запасами, повторяющийся во времени. Задача заключается в определении оптимального значения В на интервале D-А. Поскольку Т есть величина промежутка времени, в течении которого при скорости расходования истощается запас C_АКБ имеем Т = C_АКБ / .

Таким образом, задача сводится к нахождению оптимального значения C_АКБ. Когда C_АКБ мало, переменная Т также принимает малое значение. При этом частота заказов велика и требуется меньшая емкость АКБ, но увеличиваются издержки на водно-выпрямительные устройства. С другой стороны, наличие большой емкости АКБ (запасов) приводит к увеличению затрат на хранение (эксплуатационные расходы на содержание, капитальный ремонт и собственно капитальные вложения в АКБ). Тогда задача управления запасами состоит в определении оптимального значения C_АКБ, которому соответствует минимум годовых затрат:

f (C_АКБ) = (Р / C_АКБ + C + h C_АКБ / 2) (8)

f' (C_АКБ) = (-Р/ C_АКБ ² + (h/2)) (9)

f''(C_АКБ) = (2Р/ C_АКБ³) 0 при C_АКБ 0 (10)

Решая уравнение при f”(C_АКБ) = 0 получим:

C_АКБ = 0 (11)

Таким образом, оптимальный размер емкости АКБ равен:

C_АКБ = , (12)

что в теории управления запасами соответствует наиболее экономичному размеру заказа.

Наиболее оптимальной структурой СЭ для МПК ЖАТ является СЭ с полным аккумуляторным резервом. Учитывая то, что большинство аппаратуры ЖАТ получает питание постоянным током 24В, наиболее целесообразной является система на основе шины постоянного тока при ограниченном количестве полюсов питания. С точки зрения охраны труда предпочтительной является система класса III, в которой отсутствуют внутренние или внешние электрические цепи напряжением выше 50 В переменного или 120 В постоянного тока. СЭ должна позволять осуществлять интеллектуальное управление энергоресурсами для достижения наибольшей экономической эффективности на основе теории управления запасами.

Во втором разделе также проведены результаты исследования по влиянию различных факторов на токи короткого замыкания (КЗ). При переходе на системы заземления TT, а особенно IT, необходимо учитывать не только максимальные токи КЗ для выбора автоматического выключателя по критерию отключающей способности, но и для обеспечения необходимой чувствительности защиты минимальные токи КЗ, так как их значение может быть соизмеримо с максимальными значениями рабочих токов. При этом приборы защиты могут не отключить поврежденный участок цепи, что может привести к пожару. Также необходимо по критерию максимального тока КЗ проверять корректность выбора сечения проводников кабеля. В главе показан метод выполнения данных расчетов.

В третьем разделе рассмотрены эксплуатационно-технические вопросы проектирования СЭ. Сформулированы эксплуатационно-технические требования к СЭ, проанализированы существующие системы заземления и даны рекомендации по выбору режима работы нейтрали. Проведен анализ автономных источников тока и даны рекомендации по выбору аккумуляторных батарей и ДГА. Решены вопросы технической реализации СЭ. Рассмотрена функциональная структура СЭ на примере УЭП-МПК, которая разработана с участием автора.

Применение современных средств вычислительной техники на нынешнем этапе определяет стратегию совершенствования СЭ ЖАТ. Также более легко решаются вопросы обеспечения высоких показателей безотказности за счет резервирования устройств. Причем резервирование аппаратуры должно сводить к минимуму количество общих точек отказа.

Анализ типов систем питания показал необходимость универсального построения аппаратных средств и структур СЭ с расчетом на разные системы заземления нейтрали (TN-C, TT, IT, TN-S) для адаптации к конкретным местным условиям на объектах энергоснабжения. Сформулированные эксплуатационно-технические требования к СЭ отражают вопросы качества электроэнергии при применении МПК, а также содержат нормативы для проектирования, строительства и эксплуатации СЭ.

Анализ автономных источников питания СЭ показал предпочтение в использовании герметизированных аккумуляторов со сроками службы 10 лет, не требующих обслуживания в течении всего срока эксплуатации. Предложенная методика расчета проектной мощности ДГА учитывает реактивную составляющую и нелинейность нагрузок поста ЭЦ, что позволяет избежать ошибок при выборе мощности ДГА.

В четвертом разделе даны решения проблем, связанных с обеспечением безопасности и электромагнитной совместимости синтезированной структуры СЭ. Предложено два способа решения проблемы безопасной работы рельсовых цепей при питании от преобразователей напряжения. Первый способ заключается в параллельной работе двух преобразователей с взаимным контролем друг друга, второй способ предусматривает применение устройств безопасного контроля напряжения УБКН, в разработке которого автор принимал непосредственное участие.

Проведенные исследования структур и программных средств УБП показывают, что концепция их построения прямо противоположна концепции обеспечения безопасности ЖАТ. Используемое программное управление формирования выходных напряжений УБП при физическом моделировании отказов допускает возникновение недопустимых параметров на нагрузках ЖАТ, критичных к качеству напряжения по безопасности (сверхнормативное превышение действующего значения напряжения, отклонение частоты напряжения, появление гармоник и интергармоник, совпадающих с рабочими частотами тональных рельсовых цепей). Применение УБКН в системах электропитания рельсовых цепей позволяет осуществлять контроль качества выходного напряжения УБП и исключить возможность возникновения аварийных ситуаций.

Анализ реактивной мощности, обусловленной характером нагрузок ЖАТ, и нелинейностью входного выпрямителя УБП, показывает возможность возникновения резонансных явлений в СЭ. Возникающие при этом токи создают угрозу ложных срабатываний защитных устройств СЭ. Предложенные методы компенсации реактивной мощности исключают возникновение резонансных явлений в СЭ и позволяют избежать нештатных отключений оборудования СЭ.

Проведены исследования качества напряжения электропитания на объектах Октябрьской и Юго-Восточной ж.д. Установлены несоответствия качества сети электропитания ГОСТ 13109 при проследовании скоростных и тяжеловесных поездов. Рекомендовано для электропитания нагрузок ЖАТ не использовать нейтральный проводник, так как нелинейные искажения, измеренные по схеме «фаза-фаза», имеют меньшее значение, чем по схеме «фаза-нейтраль». Изолирующий трансформатор, предназначенный для работы в сети, не соответствующей ГОСТу по коэффициенту нелинейных искажений, должен иметь запас мощности. Коэффициент, учитывающий запас мощности, должен определяться по формуле:

, где (13)

I₁ - основная гармоника тока;

I_RMS - истинное среднеквадратичное значение тока;

n - номер гармоники;

e, q - коэффициенты, зависящие от составляющих потерь в меди и железе трансформатора.

В пятом разделе приведено описание и разработаны методы технического обслуживания сданной в эксплуатацию СЭ УЭП-МПК, структура которой синтезирована согласно положениям, изложенным в диссертации. Неотъемлемой составляющей программно-аппаратных средств являются элементы системы диагностики и мониторинга, обеспечивающие непрерывный съем, обработку, передачу, отображение и архивирование как дискретных параметров УЭП-МПК, так и аналоговых величин напряжений на нагрузках ЖАТ. Разработаны принципы формирования пользовательского интерфейса. Основными принципами, которыми руководствуются при этом, являются использование оперативное отображение протекания тока по элементам СЭ, индикация вспомогательной и диагностической информации только в случаях нарушений, отображение мнемосхемы СЭ с привязкой к топологии поста ЭЦ и т.п.

Разработанные автором технологические карты и технология обслуживания УЭП-МПК показывают сокращение трудоемкости технологического процесса и увеличение периодичности обслуживания.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена и решена проблема обеспечения бесперебойного электропитания микропроцессорных комплексов железнодорожной автоматики и телемеханики. В результате проведенных исследований в диссертации получены следующие основные результаты:

1. Анализ типовых решений по электропитанию ЖАТ отечественных железных дорог показал, что принятая в них концепция построения СЭ не обеспечивает полноценное бесперебойное питание МПК ЖАТ и, как следствие, не может гарантировать непрерывность перевозочного процесса.

2. Анализ отечественных и зарубежных концепций построения СЭ выявил тенденции к использованию систем бесперебойного питания для энергоснабжения критичных нагрузок, из которых выделяются две основных концепции на основе шин переменного и постоянного тока.

3. Анализ концепций построения СЭ для МПК ЖАТ показал преимущества СЭ на основе шины постоянного тока, основными из которых являются открытая архитектура, простые способы резервирования, минимизация ступеней преобразования. Однако отсутствие унификации нагрузок по напряжению делают ее реализацию экономически невыгодной. Проблема унификации нагрузок решается для новых систем путем стандартизации и унификации требований по использованию электроэнергии вторичными источниками электропитания этих систем.

4. Метод синтеза СЭ на основе теории управления запасами позволяет минимизировать затраты на водные и выпрямительные устройства путем сокращения их мощности за счет энергии, запасенной в АКБ.

5. Уточненная методика расчета токов короткого замыкания (к.з.) дополнительно учитывает увеличение сопротивления токоведущих цепей при нагреве от токов к.з., обеспечивая повышение пожарной безопасности постов ЭЦ.

6. Разработанная СЭ МПК ЖАТ синтезирована с учетом существующих условий эксплуатации и основана на централизованной параллельно резервируемой системе из двух УБП с обеспечением энергоснабжения не менее 1 часа при пропадании всех внешних источников.

7. Предложенная СЭ решает две главные задачи: обеспечение непрерывности электропитания МПК ЖАТ при перебоях внешнего энергоснабжения и обеспечение микропроцессорных систем управления перевозочным процессом качественной электроэнергией.

8. Предложенные программы и методики испытаний, разработанные на основе личного опыта автора, позволяют выявить слабые места в устройствах электропитания (УБП, ДГА и др.).

9. Созданная при участии автора технология обслуживания позволяет перейти от традиционного регламентного технического обслуживания к менее затратному обслуживанию по состоянию устройств.



Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Брошюры

1. Шатохин В. А. Концепция защиты устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от перенапряжений [Текст] / А.Б.Никитин, О.А.Наседкин., А.Д.Манаков. В.А.Шатохин // Ж.-д трансп. Серия "Сигнализация и связь" Вып.3., ЭИ/ЦНТИ.-М., 2006.- 28с.

Нормативные документы

1. ОСТ 32.146-2000 Аппаратура железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Общие технические условия [Текст] / А.А.Красногоров, В.А.Шатохин разделы 4.4 и 7.3. М., 2000. с.30, 66-73.

2. Эксплуатационно-технические требования по защите устройств железнодорожной автоматики от коммутационных и атмосферных перенапряжений [Текст] / Д.В.Гавзов, А.Д.Манаков, В.А.Шатохин и др. //Памятка ОСЖД. Варшава. 2005. - 21с.

3. НБ ЖТ ЦШ 128-2003 Системы интервального регулирования движения поездов. Нормы безопасности [Текст] / Д.В.Гавзов, О.А.Наседкин, Т.А.Белишкина, В.А.Шатохин и др. // Москва. 2005. - 15с.

4. Защита систем железнодорожной автоматики и телемеханики от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Характеристика импульсных воздействий на системы ЖАТ. Временные нормы [Текст] / А.Б.Никитин, О.А.Наседкин, А.Д.Манаков, В.А.Шатохин, и др.// Введ. 2007-03-22 Департаментом автоматики и телемеханики ОАО «РЖД». М. 2007. - 18с.

Статьи

1. Шатохин В.А. Электромагнитная совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / В.А.Шатохин // Технологии ЭМС - 2004. - №1(8). - с. 22-28.

2. Шатохин В.А. Защита цепей электропитания технических средств железнодорожной автоматики от грозовых и коммутационных перенапряжений [Текст] / Г.Б.Игнатов, А.Б.Беляков, Н.В.Горшков, В.Л.Зелинский, В.А.Шатохин // Автоматика, связь, информатика - 2003. - №12. - с17.

3. Шатохин В.А. Устройство безопасного контроля напряжения [Текст] / Ю.А.Федоркин, В.А.Шатохин, В.И.Резник //Автоматика, связь, информатика - 2006. - N6. - С. 17-18.

4. Шатохин В. А. Модернизация защитного фильтра ЗФ-220 [Текст] / В.Л.Зелинский, В.А.Шатохин //Автоматика, связь, информатика -2006. №6. - С. 18-19.

5. Шатохин В. А. Аппаратура защиты сигнальной установки от перенапряжений [Текст] / В.Л.Зелинский, М.В.Маслов, В.А.Шатохин, Ю.Е. Нечаев //Автоматика, связь, информатика -2007. №2. - С. 24-25.

6. Schatokhin V.A. Die elektromagnetische Vertraglichkeit der Bahnautomatisierungs- und Fernsteuerungssysteme [Text] / O.A.Nassedkin, A.D.Manakov, V.A.Schatokhin // Signal+Draht (Rail Signalling + Telecommunication) - 2006. -№12. - P. 32-35.

7. Шатохин В.А. Оптимизация системы электроснабжения микропроцессорных комплексов железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / А.Б.Никитин, В.А.Шатохин //Вестник Ростовского гос. универ. Путей сообщения - 2007. №3. - с. 60-63.

8. Шатохин В.А. Исследование электромагнитной совместимости нового вагона-электростанции поезда «Аврора» [Текст] / В.А.Шатохин //Молодые ученые, аспиранты и докторанты петербургского государственного университета путей сообщения: межвузовский сб. науч. трудов. СПб., 1997. - с. 141-143.

9. Шатохин В.А. Испытание сетевых фильтров для систем бесперебойного питания систем железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / Д.В.Гавзов, А.Д.Манаков, В.А.Шатохин // Проблемы разработки, внедрения и эксплуатации микроэлектронных систем железнодорожной автоматики и телемеханики: сб. науч. трудов. СПб., 2005. - с. 32-39.

10. Шатохин В.А. К вопросу построения систем бесперебойного питания микропроцессорных комплексов железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / А.Б.Никитин, В.А.Шатохин //Транспорт Урала - 2007. №3. - с. 60-63.

Доклады на научно-технических семинарах, конференциях и симпозиумах

1. Шатохин В.А. Проблемы измерений электромагнитной обстановки и испытаний на ЭМС [Текст] / А.М.Костроминов, А.А.Красногоров, В.Ф.Кустов, А.Г.Гришин, В.А.Шатохин // Четвертая российская научно-техническая конференция «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов ЭМС-96»: тезис. док. - СПб., 1996 - с.435-438.

2. Шатохин В.А. Исследование электромагнитной совместимости нового вагона-электростанции поезда «Аврора» [Текст] / В.А.Шатохин //57-я научно-техническая конференция с участием студентов, молодых специалистов и ученых: тезис. док. - СПб., 1997 - с.182-183.

3. Шатохин В.А. Опыт сертификации и проблемы при испытаниях технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / Т.А.Белишкина, О.И.Рыбаков, В.А.Шатохин // Шестая российская научно-техническая конференция «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов ЭМС-2000»: сб. докл. - СПб., 2000 - с.397-401.

4. Шатохин В.А. Исследование электромагнитной совместимости нового электроподвижного состава с техническими средствами железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / А.М.Костроминов, А.А.Красногоров, В.А.Шатохин //Шестая российская научно-техническая конференция «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов ЭМС-2000»: сб. докл. - СПб., 2000 - с. 419-420.

5. Шатохин В.А. Испытания технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики на электромагнитную совместимость [Текст] / Д.В.Гавзов, Т.А.Белишкина, В.А.Шатохин //Международный семинар “Испытания систем железнодорожной автоматики и телемеханики на безопасность и электромагнитную совместимость”: сб. докл. - Гомель, БелГУТ., 2001. - с. 85-88.

6. Шатохин В.А. Сертификация технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / Т.А.Белишкина, В.А.Шатохин // Седьмая российская научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости «ЭМС2002»: сб. докл. - СПб., 2002. - С. 436-437.

7. Шатохин В.А. Оценка влияния подвижных устройств с полупроводниковыми преобразователями на ТС ЖАТ [Текст] / В.А.Шатохин // Седьмая российская научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости «ЭМС2002»: сб. докл. - СПб., 2002. - С. 50-51

8. Шатохин В.А. Опыт работы испытательного центра ИЦ ЖАТ ПГУ ПС [Текст] / Д.В.Гавзов, О.А.Наседкин, В.А.Шатохин // Международный семинар “Испытания систем железнодорожной автоматики и телемеханики на безопасность и электромагнитную совместимость”: сб. докл.: - Гомель, БелГУТ, 2003. - с. 111-113.

9. Шатохин В.А. Испытания ТС ЖАТ на электромагнитную совместимость [Текст] / Д.В.Гавзов, В.А.Шатохин // Международный семинар “Испытания систем железнодорожной автоматики и телемеханики на безопасность и электромагнитную совместимость”: сб. докл.: - Гомель, БелГУТ, 2003. - с. 113-117.

10. Шатохин В.А. Электромагнитная совместимость микроэлектронных ТС ЖАТ с электропитающими устройствами постов ЭЦ [Текст] / Д.В.Гавзов, В.А.Шатохин //Международный семинар “Испытания систем железнодорожной автоматики и телемеханики на безопасность и электромагнитную совместимость”:сб. докл.: - Гомель, БелГУТ, 2003. - с. 117-120.

11. Шатохин В.А. Испытание технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики на соответствие требованиям электромагнитной совместимости [Текст] / В.А. Шатохин //Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: сб. докл. - СПб., 2003. - с. 334-337.

12. Шатохин В.А. Методы и средства испытаний на электромагнитную совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / В.А. Шатохин // Восьмая российская научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности «ЭМС2004»: сб. тезис. докл. - СПб., 2004. - С. 531-534.

13. Шатохин В.А. Электромагнитная совместимость железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / В.А. Шатохин, А.Д. Манаков // Первая Международная научно-практическая конференция «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте «ТРАНСЖАТ-2004»: сб. тезис. докл. - СПб., 2004. - С. 165-170.

14. Шатохин В.А. Перспектива применения литий-ионных аккумуляторов и батарей в средствах связи и автоматики железнодорожного транспорта [Текст] / Д.В. Гавзов, А.А. Михалов, В.А. Шатохин.// Научно-практическая конференция «Перспективы развития и применения литий-ионных источников тока» 17-18 февраля 2004г.: материалы конф. - СПб., 2004. - С. 117-121.

15. Шатохин В.А. Проблемы ЭМС систем железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / А. Д. Манаков, В.А. Шатохин// Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: сб. тезис. докл. - СПб., 2005. - с. 195-199.

16. Шатохин В.А. Защищенные походы к трансформаторам питания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / Д.В.Гавзов, А.Д.Манаков, А.В.Давыдов, В.А.Шатохин // Вторая Международная научно-практическая конференция «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте «ТРАНСЖАТ-2005»: сб. тезис. докл. - Сочи, 2005. - С. 165-170.

17. Шатохин В.А. Способ защиты от грозовых перенапряжений централизованных электронных систем железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / А.Д.Манаков, В.С.Снегуров, А.В.Снегуров,. В.А.Шатохин // Третья международная научно-практическая конференция «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте «ТРАНСЖАТ-2006»,: сб. тезис. докл. - СПб. 2006. - С. 37.

Размещено на Allbest.ru

...