Введение к работе
Актуальность темы. Проблема повышения эффективности работы электрических железных дорог связана с обеспечением пропуска тяжеловесных поездов и сокращением потерь энергии в системе электрической тяги. В связи с этим, как известно, использование тяговых сетей переменного тока наиболее целесообразно. Наряду со многими положительными качествами система переменного однофазного тока обладает рядом существенных недостатков. В их число входит интенсивное электромагнитное влияние на смежные линии. Одним из возможных опасных последствий, вызванных превышением степени влияний допустимых уровней, являются ложные действия автоблокировки.
По мере возрастания грузопотоков и единичной массы поездов увеличиваются тяговые токи, и, как следствие, увеличивается и напряжённость влияющего электромагнитного поля. В связи с этим, повышение эффективности системы переменного тока и безопасности перевозок тесно связано с решением задачи снижения электромагнитных влияний на смежные коммуникации. К наиболее эффективным способам защиты подверженных электромагнитному воздействию смежных коммуникаций являются их относ и каблирование. Однако указанные способы являются дорогостоящими, а в некоторых случаях их осуществление невозможно или связано со значительными трудностями. В связи с этим, одним из перспективных направлений в отношении решения задачи снижения электромагнитных влияний является применение многопроводных систем питания с компенсацией внешнего электромагнитного поля тяговой сети (ТС). В основе таких систем лежит принцип снижения напряжённости электромагнитного поля ТС, за счёт электромагнитного поля тока, наведенного в дополнительном (экранирующем) проводе (ЭП). Использование для электрификации систем с ЭП и с экранирующим и усиливающим проводами (ЭУП), позволяет снизить степень влияния на смежные линии в 1.6 – 2 раза. Однако, как показывает опыт, в некоторых случаях этого недостаточно и требуется увеличение защитного действия со стороны ТС. В свою очередь, этого можно достичь увеличением защитного (компенсирующего) тока в ЭП. Как известно, доля тока в ЭП от тягового тока, доходит до 65% и, если какими либо мерами удастся увеличить эту долю, то тем самым удастся увеличить и компенсирующий эффект ЭП. Решить задачу увеличения тока в ЭП можно посредством оптимизации токораспределения в элементах ТС, на основе её анализа как системы.
Таким образом, возникает вопрос о целесообразности разработки способа и средств, основанных на системном анализе электромагнитных процессов происходящих в ТС, которые могли бы стать основой для её модернизации в отношении минимизации электромагнитного влияния на смежные линии, с целью снижения экономических и материальных затрат на их защиту.
Для решения поставленной задачи, в диссертационной работе, по видимому впервые, использован метод передаточных функций. Это позволило выполнить анализ стационарных электромагнитных процессов в многопроводных электротяговых сетях переменного тока и на его основе предложить меры для такой их модификации, при которой возможно увеличение значения компенсирующего тока в ЭП до величины, определяющей допустимые уровни наведенных помех.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка метода и средств, позволяющих обосновать и предложить такие изменения в тяговой сети, при которых обеспечивается снижение электромагнитных влияний в смежных коммуникациях. В основе разрабатываемого метода лежит оптимизация токораспределения в многопроводных электротяговых сетях переменного тока.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:
1) анализ многопроводных электротяговых сетей с ЭП и ЭУП по признаку наличия канала компенсирующего тока;
2) разработка математической модели многопроводной тяговой сети, как совокупности звеньев, на которые наложены связи, отражающие протекающие в них электромагнитные процессы;
3) разработка математических моделей звеньев, входящих в исследуемые системы с ЭП и ЭУП и определение их амплитудно – частотных и фазово - частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ);
4) разработка математической модели базовой системы, являющейся составной частью любой системы компенсации электромагнитных помех с каналом компенсирующего воздействия;
5) синтез системы с ЭП и ЭУП максимальной эффективности по критерию максимального уровня компенсирующего тока;
6) разработка структурных схем автоматических систем компенсации электромагнитных влияний в смежных линиях связи, обеспечивающих снижение помехи до наперёд заданного уровня;
7) определение зависимости степени электромагнитного влияния много-проводной электротяговой сети переменного тока от способа заземления ЭП.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертации задач использованы методы анализа и синтеза систем с использованием структурных схем и передаточных функций (методы ТАР), частотный и операторный методы, аналитический и численный способы при поддержке их математической средой Mathcad.
Научная новизна работы заключается в:
использовании, по видимому впервые, методов ТАР для анализа и синтеза систем компенсации электромагнитных влияний, построенных на базе многопроводных электротяговых сетей переменного тока;
разработке аналитических моделей для расчёта наивыгоднейшего токораспределения в многопроводных электротяговых сетях переменного тока методом передаточных функций;
разработке методики количественной оценки эффективности снижения уровня электромагнитных влияний многопроводных электротяговых сетей переменного тока;
разработке частотных математических моделей звеньев и систем многопроводных электротяговых сетей с ЭП и ЭУП;
модификации многопроводных электротяговых сетей и разработке способов компенсации по критерию наибольшего снижения уровня электромагнитных влияний.
Практическая полезность работы. Практическая полезность работы заключается в разработке метода проектирования многопроводных электротяговых сетей, позволяющего на основе анализа их АЧХ и ФЧХ синтезировать системы компенсации электромагнитных влияний по критерию их минимального воздействия на смежные коммуникации. Практическая полезность и новизна работы подтверждена одним авторским свидетельством и восемью патентами на изобретения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на четвёртом международном симпозиуме «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (ЭЛТРАНС – 2007, Санкт-Петербург).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 16 печатных работах, включающих 6 статей, монографию, 1 авторское свидетельство и 8 патентов на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, списка литературных источников и приложений, содержит 68 рисунков, 13 таблиц. Общий объём 264 страницы.
