Манаков, Александр Демьянович. Модели, методы и средства защиты электронных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от опасных электромагнитных воздействий

brief description

Манаков, Александр Демьянович. Модели, методы и средства защиты электронных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от опасных электромагнитных воздействий : диссертация ... доктора технических наук : 05.22.08 / Манаков Александр Демьянович; [Место защиты: Петерб. гос. ун-т путей сообщ.].- Санкт-Петербург, 2011.- 470 с.: ил. РГБ ОД, 71 12-5/116

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (ФГБОУ ВПО ПГУПС)
МАНАКОВ АЛЕКСАНДР ДЕМЬЯНОВИЧ
05201152292
МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И
ТЕЛЕМЕХАНИКИ ОТ ОПАСНЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Специальность 05.22.08 — Управление процессами перевозок
Диссертация на соискание ученой степени
доктора технических наук
Научный консультант - доктор технических наук, профессор А. Б. Никитин
САНКТ - ПЕТЕРБУРГ
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ. 8
1. ОПАСНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УСТ¬РОЙСТВА ЖАТ. 19
1.1. Особенности построения и условий эксплуатации систем ЖАТ. 19
1.2. Воздействие атмосферного электричества на устройства ЖАТ. 27
1.3. Воздействие тяговой сети на устройства ЖАТ. 39
1.3.1. Тяговая сеть переменного тока. 42
1.3.2. Тяговая сеть постоянного тока. 48
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОМУ РАЗДЕЛУ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИИ. 52
2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СТОЙКОСТИ
УСТРОЙСТВ ЖАТ. 54
2.1. Задачи теорий электромагнитной совместимости и электромаг¬нитной стойкости устройств ЖАТ. 54
2.2. Методы исследования опасных электромагнитных воздействий
на устройства ЖАТ. 60
2.3. Методы анализа сложных электрических схем. 64
2.4. Метод исследования опасных электромагнитных воздействий на
устройства ЖАТ. 66
ВЫВОДЫ ПО ВТОРОМУ РАЗДЕЛУ. 73
3. КОНЦЕПЦИЯ ЗАЩИТЫ УСТРОЙСТВ ЖАТ ОТ ПЕРЕНА¬ПРЯЖЕНИЙ. 74
3.1. Цели и задачи концепции. 74
3.2. Анализ состояния защиты от перенапряжений устройств ЖАТ в
России и за рубежом. 75
3.2.1. Состояние защиты устройств ЖАТ в России. 75
3.2.2. Зарубежный опыт защиты от перенапряжений. 89
з
3.3. Существующий подход к разработке средств защиты устройств
ЖАТ от перенапряжений. 91
3.4. Предлагаемый подход к разработке средств защиты устройств
ЖАТ от перенапряжений. 92
3.5. Принципы защиты устройств ЖАТ от перенапряжений. 94
3.6. Основные направления работ по защите устройств ЖАТ от пе-ренапряжений. 99
3.6.1. Защита от атмосферных перенапряжений. 99
3.6.2. Защита от коммутационных перенапряжений. 103
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ. 104
4. ТРАНСФОРМАТОР КАК СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ОПАСНЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ. 106
4.1. Анализ трансформатора как средства защиты. 106
4.2. Исследование ограничивающих свойств трансформатора по пе¬редаче энергии опасных электромагнитных воздействий. 115
4.2.1. Обоснование математической модели трансформатора. 115
4.2.2. Метод определения динамической индуктивности транс¬форматора. 120
4.2.3. Расчёт ограничивающих свойств трансформатора. 135
ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЁРТОМУ РАЗДЕЛУ. 146
5. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ МЕТОДОМ СНИЖЕНИЯ
ГРАДИЕНТОВ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ. 148
5.1. Градиенты перенапряжений в слоях высоковольтной обмотки
трансформатора. 148
5.2. Исследование импульсных процессов на физической модели
трансформатора. 157
5.2.1. Описание установки эксперимента. 157
5.2.2. Анализ результатов эксперимента. 159
5.3. Исследование импульсных процессов на математической моде¬ли трансформатора. 165
5.3.1. Определение параметров элементов обмотки трансформа¬тора ОМ. 165
5.3.2. Математическая модель начального распределения напря¬жения при действии поперечных перенапряжений. 172
5.3.3. Математическая модель начального распределения напря¬жения при действии продольных перенапряжений. 181
5.3.4. Математическая модель для исследования колебательных
процессов при действии поперечных перенапряжений. 187
5.3.5. Исследование импульсных процессов на математической
модели трансформатора ОМ при действии поперечных перенапря¬жений. 198
5.3.6. Анализ электрической прочности и определение парамет¬ров изоляции трансформатора ОМ. 205
5.4. Защита трансформаторов методом снижения градиентов пере¬напряжений: 209
5.4.1. Методы и средства снижения перенапряжений в транс¬форматорах. 209
5.4.2. Математическая модель экранированного трансформатора
ОМ при действии поперечных перенапряжений. ' ■ 212
5.4.3. Исследование импульсных процессов на математической
модели экранированного трансформатора ОМ: 215
5.4.4. Исследования на физической модели экранированного
трансформатора типа ОМ. 220
ВЫВОДЫ ПО ПЯТОМУ РАЗДЕЛУ. 224
6. СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОСНОВНОГО ВВОДА ПИТАНИЯ ОТ АТМОСФЕРНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ. 226
6.1. Схема электроснабжения устройств ЖАТ и влияние грозовых
перенапряжений на высоковольтную линию автоблокировки. 226
6.2. Разработка математических моделей высоковольтной линии. 231
6.2.1. Схема замещения высоковольтной линии. 231
6.2.2. Определение первичных параметров высоковольтной ли¬нии. 233
6.2.3. Модели источников грозовых перенапряжений. 238
6.2.4. Математическая модель высоковольтной линии при воз¬действии волн продольных перенапряжений. 240
6.2.5. Математическая модель высоковольтной линии при воз¬действии волн поперечных перенапряжений. 245
6.3. Разработка математических моделей ввода питания релейного
шкафа. 249
6.3.1. Схема ввода питания. ■ 249
6.3.2. Модель трансформатора типа ОМ. 253
6.3.3. Модель вводного кабеля. 257
6.3.4. Модели средств защиты. 260
6.3.5. Математическая модель ввода питания при воздействии
волн продольных перенапряжений. 262
6.3.6. Математическая модель ввода питания при воздействии _
волн поперечных перенапряжений. 266
6.4. Исследование эффективности существующих средств защиты
от перенапряжений на вводе питания релейного шкафа. 272
6.4.1. Исследование перенапряжений при отсутствии средств
защиты на вводе питания. 272
6.4.2. Исследование эффективности разрядников РВНШ-250. 274
6.4.3. Исследование эффективности выравнивателей
ВОЦШ-220. 276
6.5. Разработка фильтра сетевого ввода питания релейного шкафа
устройств ЖАТ. 278
6.5.1. Анализ схем фильтров сетевых. 278
6.5.2. Исследование влияния фильтра сетевого на продольные
перенапряжения. 282
6.5.3. Исследование влияния фильтра сетевого на поперечные 287
перенапряжения.
6.5.4. Фильтр сетевой ввода питания релейного шкафа. 293
6.6. Защищённые подходы к трансформаторам питания устройств ЖАТ. 298
ВЫВОДЫ ПО ШЕСТОМУ РАЗДЕЛУ. 303
7. СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ УСТРОЙСТВ ЖАТ ОТ КОММУТАЦИ- 305
ОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ.
7.1. Защита аппаратуры рельсовых цепей. 3 05
7.1.1 .Математическая модель тяговой сети при влиянии ком-мутационных перенапряжений на рельсовые цепи. 305
7.1.2. Метод исследования средств защиты аппаратуры рель¬совых цепей при коротких замыканиях в тяговой сети. ' 315
7.1.3 .Расчёт переходных процессов при коротком замыкании в тяговой сети 317
7.1.4. Расчёт энергии, рассеиваемой на средствах защиты ап¬паратуры рельсовых цепей. 322
7.1.5. Ключевой метод защиты. 332
7.1.6. Исследование динамической и тепловой совместимости
характеристик элементов ключевого защитного устройства и опас¬ных электромагнитных воздействий 345
7.2. Защита резервного ввода питания. 354
7.2.1. Резервное электроснабжение устройств ЖАТ. 3 54
7.2.2. Математическая модель системы питания «провод-
рельс». 355
7.2.3. Исследование эффективности существующей защиты и
разработка устройства защиты комбинированного типа 367
ВЫВОДЫ ПО СЕДЬМОМУ РАЗДЕЛУ. 370
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 372
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 375
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АНАЛИЗ ПОВРЕЖДЕНИЙ УСТРОЙСТВ ЖАТ
ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ЗАБАЙКАЛЬСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ ФИЛИАЛЕ ОАО «РЖД». 400
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АНАЛИЗ ПОВРЕЖДЕНИЙ УСТРОЙСТВ ЖАТ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА Д АЛЬНЕВОСТОЧНОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ ФИЛИАЛЕ ОАО «РЖД». 414
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ФИЗИЧЕ¬СКОЙ МОДЕЛИ ТРАНСФОРМАТОРА ОМ 429
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВ¬НОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЭКРАНОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГРАДИЕНТОВ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ТРАНСФОРМАТОРЕ ОМ. 437
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ ФИЛЬТРА СЕТЕВО¬ГО ВВОДА ПИТАНИЯ РЕЛЕЙНЫХ ШКАФОВ УСТРОЙСТВ ЖАТ. 439
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНО¬СТИ ПРИМЕНЕНИЯ СЕТЕВОГО ФИЛЬТРА ВВОДА ПИТАНИЯ РЕЛЕЙНЫХ ШКАФОВ УСТРОЙСТВ ЖАТ. 444
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНО- - СТИ ПРИМЕНЕНИЯ КЛЮЧЕВЫХ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ. 450
ДОКУМЕНТЫ ПО ВНЕДРЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТА¬ЦИОННОЙ РАБОТЫ. 456
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ. 469

bibliography

ВЫВОДЫ ПО СЕДЬМОМУ РАЗДЕЛУ
1. Разработана математическая модель тяговой сети переменного тока при влиянии тока короткого замыкания на аппаратуру рельсовых цепей.
2. Разработан метод исследования средств защиты аппаратуры рельсовых цепей при коротком замыкании в тяговой сети, который позволяет анализировать любые средства защиты и для конкретных эксплуатационных условий выявлять участки, где анализируемые средства защиты не обеспечивают надежную защиту устройств рельсовых цепей. Для таких участков разработаны ключевой метод защиты и ключевые защитные устройства на основе силовых полупроводниковых приборов.
3. Сформулированы требования к ключевым защитным устройствам. Использование для защиты комплексам состоящего из трансформатора и ключевого защитного устройства, включенного между трансформатором и защищаемым устройством, позволяет осуществить динамическую и тепловую совместимость характеристик энергии1 опасных электромагнитных воздействий- и элементов, ключевого защитного- устройства- й, тем- самым, создать высоконадёжные системы защиты- от коммутационных перенапряжений;
4. Разработана математическая модель системы питания «провод - рельс» для исследования влияния переходных процессов в тяговой сети на резервный ввод питания устройств ЖАТ в момент короткого замыкания? контактного провода на рельс на- участках с электрической; тягой на переменном токе.
5. Проведены исследования; стойкости существующей; защиты резервного ввода; питания устройств ЖАТ к коммутационным перенапряжениям; Є целью- исключения повреждения; существующих варисторных средств защиты резервного ввода питания устройств ЖАТ при коротком замыкании в тяговой сети и для более глубокого ограничения перенапряжения в работе предлагается последовательно с варистором защиты установить электронное ключевое устройство на основе силовых полупроводниковых приборов. Такое устройство позволяет использовать варисторы с низким классификационным напряжением для глубокого ограничения перенапряжения и допускает параллельное включение нескольких варисторов для увеличения допустимой энергии, рассеиваемой на средстве защиты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные выводы и результаты.
1. Отсутствие эффективной защиты от опасных электромагнитных воздействий электронных устройств ЖАТ является причиной значительных экономических потерь, связанных не только с задержками поездов, но и с затратами на восстановление поврежденных электронных устройств, имеющих значительную стоимость по сравнению с релейными системами.
2. Защита электронных устройств ЖАТ от опасных электромагнитных воздействий может быть эффективной только при согласованном взаимодействии мер и средств защиты в источнике перенапряжений, канале распространения, на вводе устройства ЖАТ и в самом устройстве.
3. Разработана концепция защиты устройств ЖАТ от перенапряжений, которая предусматривает согласование функциональной и дополнительной защиты посредством вычислительного эксперимента. Обоснована замена применения типовых средств защиты на основе эвристического подхода на метод проектирования систем защиты для конкретных эксплуатационных условий. Предложена методология исследования на математических моделях опасных электромагнитных воздействий на устройства ЖАТ.
4. Разработана математическая модель высоковольтной линии автоблокировки при распространении волн грозовых и коммутационных перенапряжений, которая учитывает изменение параметров схемы замещения линии при изменении длительности фронта и спада импульса.
5. Разработаны математические модели тяговой сети переменного тока в виде цепных схем для исследования воздействия аварийных процессов в тяговой сети на аппаратуру рельсовых цепей и резервные вводы питания устройств ЖАТ, а также - для обоснования требований к средствам защиты от коммутационных перенапряжений.
6. Разработана математическая модель многослойной высоковольтной
обмотки трансформатора, учитывающая взаимную индуктивность между слоями. Результаты расчёта переходных процессов показали
удовлетворительную сходимость с данными эксперимента — в среднем коэффициент корреляции равен 0,73.
7. Предложен метод снижения* градиентных перенапряжений в слоях
обмоток трансформатора; включающий введение технологичных
намоточных электростатических экранов, которые позволяют повысить надёжность работы трансформатора, и, соответственно, электропитания устройств ЖАТ при действии ірозовьіх перенапряжений. . . :
8. Разработаны^ математические модели трансформаторов устройств ЖАТ при передаче импульсной энергии через электрическую и магнитную связи. Динамическую индуктивность трансформатора; как функцию-скорости изменения тока намагничивания; с большим числом витков обмотки намагничивания, предлагается определять методом разряда конденсатора на дополнительную обмотку реального трансформатора с меньшим числом витков,, а реальные характеристики; динамической* индуктивности* следует вычислить через квадрат коэффициента трансформации.
9; Доказана эффективность защиты вводов питания* устройств ЖАТ посредством подвески защитного троса и установки линейных ограничителей перенапряжения, снижающих уровень энергии, действующей на средства защиты.
10. Предложенные модели и методы обеспечивают согласование каскадов функциональной и дополнительной защиты ввода питания от атмосферных перенапряжений; а для аппаратуры рельсовых цепей и резервного ввода питания от коммутационных перенапряжений.
11. На основе разработанных моделей и методов создан комплекс технических средств защиты: защитный многофункциональный ключ тиристорный «ЗАМОК-Т», сетевой фильтр защиты однофазного ввода питания «ФС» и устройство защиты от импульсных перенапряжений
комбинированного типа. Основой разработанных средств защиты являются силовые полупроводниковые приборы, характеристики которых согласуются с защищаемыми электронными устройствами ЖАТ