Электромагнитная совместимость системы тягового электроснабжения с поездной радиосвязью

Концепция общей политики правительства, ОАО «РЖД» состоит в модернизации существующих железнодорожных магистралей в стране, в создании высокоскоростных магистралей, позволяющих увеличить скорость пассажирских поездов до 400 км/ч. В связи с этим, очень остро ставится вопрос об электромагнитной совместимости технических средств локомотива с помехами тяговой сети железнодорожного транспорта.

Федеральный закон «Огосударственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств» введён в действие с 1.12.1999 г. Этот закон ставит проблему обеспечения электромагнитной совместимости в ряд государственных, актуальных и важнейших технико-экономических задач железнодорожного транспорта [1]. В соответствии с этим законом, электромагнитная совместимость (ЭМС) технических средств, это способность технических средств функционировать с заданным качеством, в определенной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам н> недопустимых электромагнитных воздействий на биологические объектытехническое средство это электротехническое, электронное или радиоэлектронное изделие (оборудование, аппаратура или система), а также изделие (оборудование, аппаратура’или система), содержащее электрические и (или) электронные компоненты (схемы) — радиоэлектронное средство — техническое средство, состоящее из одного или нескольких радиопередающих или радиоприемных устройств либо из их комбинации и вспомогательного оборудования, предназначенное для передачи и (или) приема радиоволнэлектромагнитная помехаэлектромагнитное явление или процесс естественного или искусственного происхождения, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства. Электромагнитная помеха может излучаться в пространство или распространяться в проводящей средеэлектромагнитное воздействие — электромагнитное явление или процесс, которые влияют или могут повлиять на биологические объекты.

К электромагнитным воздействиям относятся создаваемые техническими средствами в окружающем пространстве электромагнитные, электрические и магнитные полябиологические объекты — люди (персонал, обслуживающий технические средства, и население), животные и растенияэлектромагнитная обстановка — совокупность электромагнитных явлений и (или) процессов в данной области пространства или данной проводящей среде в частотном и временном диапазонах.

В соответствии с определением Международной электротехнической комиссии (МЭК) под ЭМС понимается способность электротехнического оборудования (прибора, аппарата, устройства) работать удовлетворительно в электромагнитной среде, при воздействии на электротехническое оборудование непреднамеренных помех, не создавая недопустимого влияния на окружающую среду, а также на другое техническое оборудование. Иными словами, термин ЭМС трактуется достаточно широко и включает в себя вопросы электромагнитного влияния друг на друга различных видов электроэнергетического и слаботочного электрооборудования, в том числе и влияние импульсных помех (ИП) контактной сети железнодорожного транспорта на средства поездной радиосвязи.

Успешное решение научных проблем и технических задач при разработке и эксплуатации системы электроснабжения железных дорог и средств радиосвязи невозможно без исследования и обеспечения электромагнитной совместимости тягового электроснабжения электрических железных дорог со смежными слаботочными системами и с питающими электросистемами и средствами радиосвязи [1]. Электрическая дуга, при нарушении токосъема, является источником электромагнитного излучения, в диапазоне до 300 МГц.

Электромагнитному влиянию и индустриальным помехам подвержены практически любые электрические линии (как воздушные, так и кабельные), проложенные вблизи от электрической железной дороги: линии телефонной и телеграфной связи' телеуправления и телесигнализации, рельсовые цепи автоблокировки, силовые и осветительные электрические сети, низковольтные линии электропередачи, отключенная контактная сеть соседних путей, а также неэлектрические, но проводящие металлические сооружения, эстакады, трубопроводы, системы поездной радиосвязи. В дальнейшем в диссертационной работе случайные ИП (уровень радиоизлучения) электотяговой' сети железнодорожного транспорта рассматриваются как часть индустриальных помех. Эти помехи имеют случайный характер, поэтому, для обработки ИП применяются статистические методы. На участке Смоленск — Москва, для '.-поездной радиосвязи используются частоты 2,13″ МГц и 150 МГц. Основной, диапазон-2,13 МГц (гектометровый диапазон), дополнительный — 150 МГц. Кроме, этого, для поездной' радиосвязи выделены два диапазона: 450 и 960 МГц. Однако эти диапазоны на российском железнодорожном транспорте не используются. Воздействие случайных ИИ* на-средства поездной радиосвязи в этом диапазоне частот ещё не изучено.

Эти-диапазоны достаточно сильно-подвержены, влиянию ИП, особенно гектометровый диапазон. В связи с предполагаемым строительством через участок Москва — Смоленск скоростной магистрали Восток — Запад эта тема особенно актуальна. Ухудшение поездной радиосвязи на скорости локомотива 140 км/ч даже на несколько секунд недопустимо. К тому же этот участок расположен в умеренно — северных широтах, но с тяжёлыми зимними климатическими условиями.

Данная тематика слабо освящена в технической литературе из — за сложности проведения измерений и обработки результатов [1].

В данной диссертационной работе рассматриваются два участка: Москва — Вязьма, тяговая сеть постоянного тока с номинальным напряжением 3,0 кВВязьма — Смоленск, тяговая сеть переменного однофазного тока 2×25 кВ [2].

ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ является функционирование систем поездной радиосвязи, (технических средств локомотива) с учетом нарушения токосъема тягового электроснабжения.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются ИП, возникающие при нарушении токосъема тяговой сети 3,0 кВ сетитяговой сети 2×25 кВ и поездная радиосвязь (технические средства).

ЦЕЛЬЮ И ЗАДАЧЕЙ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ разработка технических мероприятий по обеспечению ЭМС систем поездной радиосвязи, при воздействия ИП (уровня радиоизлучения) на поездную радиосвязь, возникающих при нарушении токосъема, с учётом:

— скоростного движения, до 400 км/ч;

— зимних погодных условий- - режима выбега.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) проанализировать основные факторы, возникающие при нарушении токосъема, влияющие на ЭМС средств поездной радиосвязи;

2) предложить статистическую модель. для определения уровня радиоизлучения в-данном диапазоне, для различных электрифицированных участков постоянного и переменного тока.

3) выполнить расчеты уровня, радиоизлучения с учетом различных факторов;

4) разработать математическую модель дугового токосъема средствами-программного* обеспечения Е^^ТВ МиШз1ш 10 на ЭВМ, контактная сеть переменного тока 2×25 кВ;

5) на основе этой математической модели разработать методику расчета ЭМС тягового электроснабжения' с техническими средствами железнодорожного транспорта;

6) выполнить анализ результатов расчетов с использованием разработанной модели и сравнить с данными экспериментальных исследований для определения адекватности модели и достоверности полученного результата;

7) разработать методику записи ИПвыполнить гармонический анализ (Фурье — анализ), анализ спектра по мощности, статистический анализ ИП, изучить их свойства с применением современных компьютерных технологий и цифрового измерительного комплекса;

8) оценить эффективность действующих систем поездной радиосвязи;

9) разработать и реализовать новые технические решения, обеспечивающие ЭМС системы тягового электроснабжения^ поездной радиосвязью.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в проведении комплекса научнообоснованных мероприятий по обеспечению ЭМС систем поездной, радиосвязи при нарушении токосъема в диапазоне частот (2 — 150) МГц с ИП тяговой сети железнодорожного транспорта.

Предложена статистическая модель, для, вычисленияуровня радиоизлучения, применительно к электрифицированным-участкам железной-дорогиРФ.

По этой модели вычислен уровень радиоизлучения, с учетом различных факторов, в т. ч. скорость электроподвижного • состава- (ЭПС) до 400 км/час и зимних погодных условий.

Полученные результаты были сравнены с нормативами РЖД, разработана методика спектрального и статистического анализа ИП, исследован уровень ИП. Вместо дорогостоящего оборудования (типа автоматизированного измерительного комплекса спектрального анализа AKGA, фирмы Брюль и Къер, в составе вагон — лаборатории) или морально устаревшего осциллографа Н — 102, применено современное переносное оборудование доступное исследователюкроме этого, для Фурье анализа ИП, применён цифровой измерительный комплекс PC — Lab 2000, фирмы Velleman Instruments, имеющий небольшую стоимостьспроектирован цифровой многоступенчатый фильтр, позволяющий бортовому компьютеру ЭПС, эффективно вырезать ИП в каналах поездной радиосвязипредложены мероприятия по изменению нормативов РЖД уровня радиоизлучения, для высокоскоростного движенияс учетом зимних погодных условий и выбега.

Разработаны и внедрены, практические мероприятия, позволяющие улучшить, ЭМС систем поездной радиосвязи с тяговым электроснабжением. •

Для решения поставленной задачи случайные ИП' по маршруту Москва — Смоленск в определённом диапазоне частот с низкочастотного выхода радиоприемного устройства записывались на ноутбук в звуковом форматев- дальнейшем ИП обрабатывались в звуковом формате WAV компьютером, с. применением программ Sony Sound Forge 7.0, и MATLAB 6.5 (7.0Н 3−6]. .

Такая" постановка задачипозволяет проводить эксперименты, с использованием* недорогого' переносного оборудования. Применение1 компьютерных программ позволяет дополнительно рассчитать спектральную плотность. Можнопровести и дополнительный, анализ, например, по энтропии или по регрессии, изучить свойства случайных ИП в заданных диапазонах частот.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И ВЫВОДОВ

Достоверность разработанной модели подтвержденастрогостью теоретических расчетов и сравнением полученных результатов с экспериментальными данными и результатами компьютерного моделирования на ЭВМ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. СВЯЗЬ РАБОТЫ С КРУПНЫМИ НАУЧНЫМИ ПРОЕКТАМИ

Тема диссертационной работы соответствует общей политике ОАО «РЖД» по модернизации железнодорожных магистралей в РФ, в частности создания высокоскоростной пассажирской магистрали.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИОННОЙ РАБОТЫ

Основные положения доложены на научно — практической конференции аспирантов и студентов «На переднем крае науки и техники» две статьи, (Смоленск, 2006 г.), на Всероссийской научно — методической конференции «Применение современных информационных технологий в подготовке специалистов по прикладной информатике» (Смоленск, 19 декабря 2007 г, СГУ) — на заседаниях кафедры «Электротехника» РГОТУПС (2005;2007) г., на заседаниях кафедры «Электроснабжение и электрификация» РГОТУПС (ныне Российская открытая академия транспорта) 2008 г., на заседаниях кафедры «Электроснабжение электрических железных дорог (МГУПС) 2009 г. — 2010 г. РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы нашли применение в Смоленском отделении Московской железной, дороги, при модернизации поездной радиосвязи гектометрового диапазонав учебном процессе Смоленского филиала МГУПС (МИИТ).

ОПУБЛИКОВАИНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. По теме диссертационной работы опубликованы 11 печатных работ, две из них, в издании, рекомендованном ВАК по специальности 05.09.03- «Электротехнические комплексы и системы»

5.5. Выводы к пятой главе

В пятой главе обоснован ещё один эффективный метод борьбы с ИП. Современные компьютерные технологии позволяют применять методы ранее недоступные.

1. По полученному частотному спектру гармоник в полосе пропускании железнодорожной радиостанции рассчитан на компьютере, с применением программы MATLAB 6.5, многоступенчатый заградительный фильтр гектометрового диапазона. Этот фильтр Чебышева имеет очень большую крутизну АЧХ, 50-го порядка. Сконструировать такой фильтр в «железе» невозможно. Благодаря большой крутизне этот фильтр эффективно вырезает помеху.

2. Потеря спектра полезного сигнала, благодаря такой крутизне незначительна, около 8%. И на полезный сигнал никакого влияния не оказывает. Непосредственно применять цифровой фильтр с постоянными коэффициентами нельзя. Спектр помех здесь непостоянный. Подойдет алгоритм вычитания амплитудных спектров. В локомотиве, для цифровой обработки помех, должен быть бортовой компьютер, либо микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор.

3. Данный метод обладает большой гибкостью и может постоянно совершенствоваться. Например, можно разработать алгоритм обработки полезного сигнала статистическими методами (по минимуму дисперсии погрешности фильтрации) [102].

Глава 6

РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ 6.1. Общие положения

Полностью устранить электромагнитные влияния электрических железных дорог на смежные линии в т. ч. на поездную радиосвязь практически нельзя. Существует ряд способов снижения влияний, применение которых требует определенных материальных и денежных затрат. Стремление уменьшить индуктированные напряжения до нуля привело бы к непомерному росту затрат на устройства защиты от влияний. Но в этом нет необходимости. В пределах установленных норм можно допускать влияния, которые не нарушают существенно работу систем радиосвязи и не являются опасными для людей, обслуживающих включенные в линию устройства, а также для аппаратуры. При этом надо стремиться к тому, чтобы снижение влияний до допускаемых величин различными защитными мероприятиями достигалось с наименьшими затратами денежных средств и материалов.

В системе поездной радиосвязи, на участке Москва — Смоленск осуществляемой в диапазоне гектометровых волн, используются два частотных канала — 2,13 и 2,15 МГц. Первый из них — основной применяется для связи машинистов с дежурными по станциям и поездным диспетчером, а второй для связи с дежурным по депо и электромеханиками контрольных пунктов на станциях с основными и оборотными депо.

Волны гектометрового диапазона обладают достаточно хорошей дифракционной способностью, поэтому связь между локомотивами и стационарными пунктами может поддерживаться и при отсутствии прямой видимости между ними. Однако вследствие слабой излучающей способности локомотивных антенн в этом диапазоне волн и большого уровня помех на электрифицированных участках железных дорог дальность уверенной связи часто оказывается недостаточной для перекрытия половины длины перегона.

Для увеличения дальности и повышения качества поездной связи в гектометровом диапазоне волн широкое распространение получила передача высокочастотных сигналов по проводным направляющим линиям, идущим вдоль железнодорожного пути. В этом случае связь с локомотивами осуществляется не электромагнитными волнами излучения, а электромагнитными полями индукции, распространяющимися по направляющим линиям с меньшим затуханием, чем при излучении. В результате дальность поездной радиосвязи увеличивается. Важным является также то, что направляющая линия идет параллельно железнодорожному пути, поэтому уровни сигналов на локомотивной и стационарной радиостанциях практически не зависят от характера местности, в том числе и в полностью закрытых зонах для прямой радиосвязи, например в горных районах. Гектометровый диапазон используется с тридцатых годов прошлого века. На сегодня, он морально устарел, обладает плохой помехоустойчивостью и не позволяет создать современную интегрированную цифровую поездную радиосвязь. Как показали замеры уровня сигнала гектометрового диапазона на участке Смоленск — Вязьма, выполненные РЦС — 8, сигнал в некоторых участках имеет уровень 60 дБ, для нормальных условий, движение не скоростное. Для зимних условий, с учётом скоростного движения необходимо выполнить следующие рекомендации:

1. Увеличить напряжённость электромагнитного поля, путём установки дополнительных волноводов.

2. Перейти на более высокий диапазон поездной радиосвязи (150 МГц).

3. Наиболее перспективный вариант, хотя и наиболее затратный, переход на стандарт GSM — R.

Тематика диссертационной работы полностью вписывается в программу повышения скоростей. Она предусматривает устройство не только скоростных, но и высокоскоростных магистралей (ВСМ) до 400 км/ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные в диссертационном исследовании данные определяют получение следующих научно — практических результатов:

1) определено, что ИП контактной сети железнодорожного транспорта влияют на электромагнитную совместимость систем поездной радиосвязи, в т. ч. и на качество поездной радиосвязи. Это необходимо учитывать при эксплуатации этих систем;

2) установлено, что амплитуда ИП зависит от частоты поездной радиосвязи и от вида питающего напряжения контактной сети;

3) предложена математическая модель токосъема с использованием системы нелинейных уравнений, для определения количественных характеристик электромагнитных излучений помех в данном диапазоне;

4) разработана математическая модель дугового токосъема средствами программного обеспечения Е? В МиШвпп 10 на ЭВМ, контактная сеть переменного тока 2×25 кВ;

5) предложена статистическая модель для вычисления уровня радиоизлучения, при нарушении токосъема, на электрифицированных железнодорожных линия Российской федерации.

6) по статистической модели рассчитан уровень радиоизлучений, при нарушении токосъема, при влиянии различных факторов (скорость локомотива, потребляемый ток, частота радиоприемника, зимние погодные условия).

7) предложена методика расчета ЭМС тягового электроснабжения с поездной радиосвязью, с применением специализированных компьютерных средств моделирования работы электрифицированного участка железной дороги, позволяющая моделировать этот процесс;

8) разработана и внедрена в Смоленском отделении Московской железной дороги методика «Спектрального и статистического анализа ИП контактной сети железнодорожного транспорта;

9) выполнен анализ сравнения компьютерного моделирования и экспериментальных данных;

10) выполнен анализ теоретических расчетов и экспериментальных данных, учетом зимних погодгых условий и выбега.

11) Фурье — анализ выполнен с применением программы Sony Sound Forge 7.0. Дополнительно, сделан Фурье — анализ цифровым измерительным комплексом PC 2000 Lab, осциллограф PCS — 500, фирмы Velleman Instruments;

12) статистическая обработка, выполненная программами Sony Sound Forge 7.0 и MATLAB 6.5 показала, что ИП имеют нормальный характер распределения;

13) с помощью программы System View выполнен анализ спектральной плотности помех, который показал, что максимальная плотность ИП на участке Смоленск — Вязьма, гектометровый диапазон;

14) по полученному Фурье — анализу, в полосе пропускания железнодорожной радиостанции, разработан программой MATLAB 6.5 цифровой режекторный фильтр гектометрового диапазона, который с помощью бортового компьютера локомотива может эффективно вырезать ИП в канале поездной радиосвязи;

15) проведён сравнительный анализ реального и максимально допустимого уровня ИП в каналах поездной связи;

16) разработаны и внедрены технические мероприятия и рекомендации по модернизации поездной радиосвязи, участок Вязьма — Смоленск, контактная сеть 2×25 кВ;

17) данные мероприятия позволяют увеличить скорость движения ЭПС до 400 км/ч.

18) Основные положения диссертационной работы нашли применение в учебном процессе Смоленского филиала МГУПС (МИИТ).