CC BY
38
Авдеева Ксения Васильевна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-06-94.
Медведева Анна Александровна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети», ОмГУПС.
Е-mail: maa1024@yandex.ru
Уткина Анастасия Владимировна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети», ОмГУПС.
E-mail: a.utkina.e@gmail.com
Avdeeva Ksenia Vasilyevna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation.
Cand. Tech. Sci., senior lecturer of the department «Telecommunications, radio systems and networks», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-06-94.
Medvedeva Anna Alexandrovna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation.
Post-graduate student of the department «Telecommunications, radio systems and networks», OSTU.
E-mail: maa1024@yandex.ru
Utkina Anastasia Vladimirovna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation.
Post-graduate student of the department «Telecommunications, radio systems and networks», OSTU.
E-mail: a.utkina.e@gmail.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Кандаев, В. А. Определение оптимального значения добавочного сопротивления дренажной установки тяговой подстанции постоянного тока [Текст] /
B. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. А. Медведева, А. В. Уткина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 3 (27). -
C. 83 - 91.
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kandaev V. A., Avdeeva K. V., Medvedeva A. A., Utkina A. V. Determination of the additional resistance optimal values of dc traction substation drainage unit. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 83 - 91. (In Russian).
УДК 621.315:621.317
А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко, А. Г. Зверев
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ГИРЛЯНДАХ ПОДВЕСНЫХ ФАРФОРОВЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
Аннотация. В статье рассмотрено распределение напряженности электростатического поля вокруг гирлянды фарфоровых подвесных изоляторов, содержащих дефекты. Приведены результаты выполненного имитационного моделирования распределения напряженности электростатического поля вокруг изоляторов в программном комплексе Е1сШ и картины распределения поля вокруг изоляторов для сред с различными диэлектрическими проницаемостями. Проведен сравнительный анализ результатов имитационного моделирования и экспериментальных исследований, на основании которого выявлена возможность диагностирования изоляторов по параметрам напряженности электростатического поля.
Ключевые слова: гирлянда фарфоровых изоляторов, дефект, напряженность электростатического поля, измерения, метод конечных элементов, имитационное моделирование.
Andrey A. Kuznetsov, Anton Yu. Kuzmenko, Andrey G. Zverev
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
MODELING AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE DISTRIBUTION OF THE ELECTROSTATIC FIELD ON A GARLAND SUSPENDED PORCELAIN
INSULATORS
Abstract. The article deals with the distribution of the electrostatic field around the garland of porcelain suspension insulators containing defects. Achieved the distribution simulation of the electrostatic field around insulators in the software package Elcut. We get a picture of field distribution around the insulators for the environment with different dielectric constants. A comparative analysis of simulation results and experimental studies on the basis of which revealed the possibility of diagnosing the parameters of insulators of the electrostatic field.
Keywords: garland ofporcelain insulators, defect, intensity electrostatic field measurement, finite element method, simulation.
В настоящее время в контактной сети электрифицированных железных дорог используется большое количество разновидностей изоляторов. В большом количестве продолжают использоваться фарфоровые изоляторы, требующие периодического контроля во время эксплуатации.
Распределение напряженности электростатического поля вокруг гирлянды изоляторов зависит от типа изоляторов и их количества в гирлянде. Как известно, напряжение на гирлянде из нескольких изоляторов, соответствующее появлению короны на одном из них, может быть значительно меньше суммарного напряжения всех изоляторов в гирлянде и при некоторых условиях может оказаться ниже рабочего напряжения. Объясняется это тем, что напряжение, приложенное к гирлянде, распределяется по изоляторам неравномерно. То же самое происходит и с распределением напряженности электростатического поля.
Для выяснения причин неравномерного распределения напряжения необходимо обратиться к схеме замещения гирлянды из трех изоляторов, представленной на рисунке 1.
На этой схеме С - собственная емкость изолятора, составляющая для тарельчатых изоляторов 50 - 70 пФ; С1 - емкость изолятора по отношению к земле; C2 - емкость изолятора по отношению к проводу. Значения емкостей C1 и C2 зависят от положения изолятора в гирлянде; в среднем C1 = 4 - 5 пФ, C2 = 0,5 - 1 пФ [1].
Наличие емкостей C1 и C2 как раз и обусловливает неравномерное распределение напряжения и напряженности электростатического поля по элементам гирлянды. Рассмотрим сначала влияние только емкостей C1. Происходит ответвление тока I в эти емкости, и, как следствие, токи, проходящие через собственные емкости изоляторов, и падения напряжения на изоляторах будут тем меньше, чем дальше от контактной подвески находится изолятор. Если рассмотреть влияние только емкостей по отношению к проводу, то картина изменится: токи через емкости C и падения напряжения будут меньше на тех изоляторах, которые находятся дальше от заземленного конца гирлянды.
В реальных условиях, т. Е. когда C1 > C2 Ф 0, наибольшее напряжение прикладывается к изолятору, расположенному ближе к контактному проводу, наименьшие напряжения - к изоляторам, находящимся в середине гирлянды, и несколько повышенные - к изоляторам ближе к консоли.
Рисунок 1 - Схема замещения гирлянды изоляторов
Решение задачи распределения электростатического поля гирлянды изоляторов, работающих на постоянном напряжении контактной сети железных дорог, находится путем расчетов поля на границах раздела системы «металл - диэлектрик 1 - диэлектрик 2 - ... диэлектрик п - металл - воздух». Для описания изменения поля в гирлянде изоляторов при наличии дефектов на одном из изоляторов дефект представляется в виде токопроводящей среды с переходными параметрами диэлектрической проницаемости.
Основной задачей расчета электростатического поля является определение напряженности поля в рассматриваемом ограниченном объеме по заданным потенциалам крайних точек металлических частей гирлянды изоляторов.
Для численного решения задач электростатического поля используют метод конечных элементов, основанный на аппроксимации искомой непрерывной функции - электрического потенциала, дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей, называемых конечными элементами.
Применение метода конечных элементов начинается с разбиения области моделирования £ на конечные элементы, причем их число, размеры и расположение произвольны. Конечные элементы могут представлять собой треугольники. Стороны треугольников должны совпадать с границами раздела сред с различными свойствами.
Если воспользоваться примером плоскопараллельной задачи расчета электрического поля диэлектрика, помещенного внутрь электрического поля, методом конечных элементов, то элементарный вектор в каждой точке координатной сетки определится путем решения дифференциальных уравнений вида [2, 3]:
дЕх дЕу дБ,
дх ду дг
Р
£
(1)
Е.,
и;
дх '
д_и
'ду ;
д_и
дг ;
(2)
д2и д2и д2и
дх2 + Эу2 + дг2
и
1 г рау
4П£ I г
р
£
(3)
(4)
Рассмотренный метод предусматривает приближенное решение дифференциального уравнения, описывающее поле, распределенное в области При этом должно выполняться следующее условие: разность между приближенным и точным решениями должна быть ортогональна функциям формы, используемым при аппроксимации [3].
Метод конечных элементов использовался для моделирования напряженности электрического поля [4] фарфоровых изоляторов в программе Е1сШ;. Также были проведены экспериментальные исследования в лаборатории техники высоких напряжений для подтверждения адекватности моделировании и возможности распространения его результатов на точки, в которых трудно или невозможно провести измерения.
Для решения поставленной задачи был выбран осесимметричный класс модели. Это означает, что для определения распределения напряженности поля будет достаточно выполнить чертеж половины изолятора (гирлянды). Распределение напряженности поля в трех-
мерном пространстве получается в результате вращения созданной модели вокруг оси симметрии. Построение осуществлялось в системе декартовых координат. Число узлов сетки принято равным 5000. Чертеж неисправного изолятора с заданием свойств области «Фарфор» приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Модель неисправного изолятора в программе Е1сШ:
В программе для каждой области (среды) задается значение диэлектрической проницаемости. Значения диэлектрической проницаемости для сред, используемых в модели, представлены в таблице.
Параметры относительной диэлектрической проницаемости сред
Среда £
воздух 1
фарфор 6
цемент 2
дефект 20
вода 40
Для получения картины поля поверхность пестика изолятора задается меткой «Напряжение» (3 кВ), а поверхность шапки - меткой «Заземление» (и = 0). Распределение напряженности электростатического поля на исправном и неисправном изоляторах представлено на рисунках 3 и 4 соответственно.
Как видно из рисунков 3, 4, наличие в изоляторе дефекта приводит к увеличению напряженности электростатического поля, что соответствует повышенному значению е в этой области.
Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод о том, что наличие неисправного изолятора в гирлянде приводит к увеличению напряженности электростатического поля вокруг гирлянды. При измерениях на исправной гирлянде максимальное значение напряженности электростатического поля наблюдается у изолятора, находящегося ближе всего к источнику напряжения, а минимальное значение напряженности - у изолятора, ближайшего к заземленным частям.
Для определения распределения напряженности электростатического поля на гирлянде изоляторов было рассмотрено четыре случая. Распределение напряженности поля на исправной гирлянде приведено на рисунке 5, при нижнем неисправном изоляторе - на рисунке 6.
Как видно из рисунков 5, 6, наличие в изоляторе дефекта всегда приводит к увеличению напряженности электростатического поля как в отдельном изоляторе, так и в гирлянде в целом.
Рисунок 3 - Распределение напряженности поля на исправном изоляторе
Напряженность
Рисунок 4 - Распределение напряженности поля на неисправном изоляторе
Это доказывает ранее выдвинутую теорию о распределении электростатического поля вокруг гирлянды изоляторов. Величина напряженности электростатического поля зависит также от расстояния, на котором производятся измерения.
В работе [5] приведены данные по экспериментальным исследованиям и измерениям электростатического поля на дефектном изоляторе и гирляндах из трех изоляторов с различным положением дефектного. Измерения проводились измерителем электростатического поля типа СТ-01. Дефектный изолятор был получен путем искусственного создания внутреннего дефекта с повышенным значением диэлектрической проницаемости е. Данный дефект
представляет собой микротрещину в фарфоровой части изолятора, в которую был залит солевой раствор для еще большего снижения диэлектрических свойств изолятора.
Рисунок 5 - Распределение напряженности поля на исправной гирлянде
Рисунок 6 - Распределение напряженности поля при нижнем неисправном изоляторе в гирлянде
Результирующие данные распределения напряженности поля приведены на рисунке 7 при различном положении неисправного изолятора в гирлянде.
Расчет погрешности отклонения результатов математического моделирования и экспериментальных данных показал, что относительная погрешность 3 во всех измеренных точках не превышает значения 9,5 %.
Проанализировав полученные картины распределения напряженности поля в результате моделирования и сопоставив их с результатами экспериментальных исследований, можно сделать вывод о том, что наличие неисправного изолятора в гирлянде приводит к увеличению напряженности электростатического поля как вокруг изолятора, так и вокруг гирлянды в целом. При измерениях на исправной гирлянде максимальное значение напряженности электростатического поля наблюдается у изолятора, находящегося ближе всего к источнику напряжения, а минимальное значение - у изолятора, ближайшего к заземленным частям.
96 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ЦД<| #1 =
■ 2016
Моделирование в программном комплексе Е1сШ; позволяет создавать модели изоляторов с различными типами дефектов и задавать различные свойства областей, что в реальных условиях выполнить крайне затруднительно.
О — исправная гирлянда; □ — неисправен изолятор № 1; д - неисправен изолятор № 2; х - неисправен изолятор № 3
Рисунок 7 - Распределение напряженности поля на гирлянде изоляторов
Для стабилизации результатов измерений распределения поля вокруг гирлянд изоляторов и снижения факторов риска для здоровья обслуживающего персонала предложено новое устройство бесконтактного диагностирования [5]. Для своевременного нахождения гирлянд, содержащих поврежденные изоляторы, на протяженном участке контактной сети постоянного тока предлагается использование дистанционного метода [6] с последующим выявлением неисправного изолятора в гирлянде бесконтактным методом диагностирования.
Список литературы
1. Ефимов, А. В. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог / А. В. Ефимов, А. Г. Галкин / УМК МПС России. - М.:, 2000. - 512 с.
2. Теоретические основы электротехники. Учебник / К. С. Демирчан, Л. Р. Нейман и др. -СПб: Питер, 2003. - Т. 3. - 377 с.
3. Татевосян, А. С. Расчет электрических и магнитных полей методом конечных элементов с применением комплекса программ ЕЬСИТ / А. С. Татевосян, Е. Г. Андреева, А. О. Чу-гулев / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2010. - 84 с.
4. Шевченко, С.Ю. Моделирование электрического поля стеклянного изолятора ВЛ 110 кВ [Текст] / С. Ю. Шевченко, А. А. Окунь // Сборник научных трудов «Вестник НТУ «ХПИ»: Енергетика: надшшсть та енергоефектившсть. 2011. - № 3. - С. 136 - 141.
5. Кузнецов, А. А. Исследование электростатического поля на гирляндах изоляторов контактной сети [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко, Е. А. Кротенко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2015. - № 1 (21). - С. 54 - 59.
6. Кузнецов, А. А. Моделирование процесса дистанционного диагностирования изоляторов контактной сети [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. - № 4 (20). - С. 92 - 97.
References
1. Efimov A.V., Galkin A.G. Nadezhnost' i diagnostika sistem elektrosnabzheniia zheleznykh dorog. (Reliability and diagnostics of railway power supply systems). Moscow: Ministry of Railways of Russia, 2000, 512 p.
2. Demirchan K. S., Neiman L. R., Korovkin N. V., Chechurin V. L. Teoreticheskie osnovy el-ektrotekhniki. (Theoretical Foundations of Electrical Engineering). St. Petersburg: Piter, Vol 3, 2003, 377 p.
3. Tatevosian A. S., Andreeva E. G., Chugulev A. O. Raschet elektricheskikh i magnitnykh polei metodom konechnykh elementov s primeneniem kompleksa programm ELCUT. (Calculation of electric and magnetic fields by finite element method with the use of complex programs ELCUT). Omsk, 2010, 84 p.
4. Shevchenko S. Iu., Okun' A. A. Simulation of the electric field of the glass insulator 110 kV overhead line [Modelirovanie elektricheskogo polia stekliannogo izoliatora VL 110 kV]. Collection of Scientific Papers: «Energy: energy efficiency and reliability», 2011, no. 3, pp. 136 - 141.
5. Kuznetsov A. A., Kuz'menko A. Iu., Krotenko E. A. Investigation of electrostatic field on the insulator strings catenary [Issledovanie elektrostaticheskogo polia na girliandakh izoliatorov kontaktnoi seti]. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2015, no. 1 (21), pp. 54 - 59.
6. Kuznetsov A. A., Kuz'menko A. Iu. Modeling of remote diagnosis catenary insulators process [Modelirovanie protsessa distantsionnogo diagnostirovaniia izoliatorov kontaktnoi seti] Izvesti-ia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2014, no. 4 (20), pp. 54 - 59.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кузнецов Андрей Альбертович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-06-88.
E-mail: kuznetsovaa@omgups.ru
Кузьменко Антон Юрьевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Преподаватель кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-06-88.
E-mail: KuZo17@yandex.ru
Зверев Андрей Григорьевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая электротехника».
Тел.: +7 (3812) 31-06-88.
E-mail: zverevag@yandex.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kuznetsov Andrey Albertovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation. Dr. Tech. Sci., Professor, Head of the department «Theoretical the electrical engineering», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-06-88. E-mail: kuznetsovaa@omgups.ru
Kuzmenko Anton Yurievich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation. The senior lecturer of the department «Theoretical the electrical engineering», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-06-88. E-mail: KuZo17@yandex.ru
Zverev Andrey Grigorievich Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation. Cand. Tech. Sci., The senior lecturer of the department «Theoretical the electrical engineering», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-06-88. E-mail: zverevag@yandex.ru
Информационные технологии, автоматика, связь, телекоммуникации
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Кузнецов, А. А. Моделирование и экспериментальные исследования распределения электростатического поля на гирляндах подвесных фарфоровых изоляторов [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко, А. Г. Зверев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 3 (27). -С. 91 - 99.
Kuznetsov A. A., Kuzmenko A. Yu., Zverev A. G. Modeling and experimental investigation of the distribution of the electrostatic field on a garland suspended porcelain insulators. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 91 - 99. (In Russian).
УДК 621.397.4:519.6
В. В. Петров, Н. Г. Ананьева, А. С. Окишев
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
КОМПОЗИЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ВИДЕОРЕГИСТРАЦИИ НА ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОБЪЕКТАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Аннотация. Выполнен анализ особенностей процесса оптимизации сложных систем видеонаблюдения и видеорегистрации на территориально распределенных объектах железнодорожного транспорта. Предложена методика постановки задачи оптимизации на локальном уровне для группировки смежных кластеров в суперкластеры и пошаговой оптимизации всей системы на глобальном уровне. Методика двухуровневой оптимизации и объединение соседних информационных кластеров системы в суперкластеры позволяют совместить методы линейного и динамического программирования для оптимизации сложных разветвленных систем по критерию минимальных затрат.
Ключевые слова: видеонаблюдение, видеорегистратор, оптимизация, линейное и динамическое программирование, территориально распределенные объекты, суперкластеры, локомотивное депо.
Vladimir V. Petrov, Nadezda G. Ananieva, Andrey S. Okishev
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
COMPOSITION OF THE MATHEMATICAL METHODS OF PROGRAMMING FOR THE OPTIMIZATION OF THE SYSTEMS OF VIDEO REGISTRATION IN THE TERRITORIALLY DISTRIBUTED OBJECTS OF RAIL TRANSPORT
Abstract. Is executed the analysis of the special features of the process of the optimization of the complex systems of video surveillance and video registration in the territorially distributed objects of rail transport. Is proposed the procedure of setting optimization problem during the local level for the group of adjacent clusters into supers-clusters and the step-by-step optimization of entire system at the global level. The procedure of two-level optimization and the association of the adjacent information clusters of system into the supers-cluster make it possible to combine the methods of linear and dynamic programming for the optimization of the complex branched systems on the criterion of minimum expenditures.
Keywords: video surveillance, the video recorder, optimization, linear programming, dynamic programming, the territorially distributed objects, supers-cluster, locomotive depot.
Под термином «математическое программирование» понимается метод оптимального планирования на основе математического моделирования сложных систем [1], а планирование - это в первую очередь ответственность за принятые решения, которая требует повышения уровня науки и образования для объективного обоснования затрат в процессе проектирования систем. Разработка и внедрение современных систем постоянного видеонаблюдения и видеорегистрации повышенных функциональности и сложности на территории ответственных объектов железнодорожного транспорта с применением наиболее надежных ин-
