CC BY
20
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Логистика, коммерческая работа и подвижной состав», СГУПС.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Покровская, О. Д. Моделирование системы организации перевозочного процесса через терминальную сеть [Текст] / О. Д. Покровская // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2017. - № 1 (29). - C. 118 - 130.
Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department «Logistics, commercial work and rolling stock», STU.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Pokrovskaya О. D. A set-theoretic model of terminal network. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 118 - 130 (In Russian).
УДК 656.216:65.011.56
М. М. Соколов
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ЛИНЕЙНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В СИСТЕМАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ
АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Аннотация. Статья посвящена исследованию внутренних параметров трансформаторов, применяемых для электропитания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. В работе рассмотрено изменение номограммы области входного сопротивления силового трансформатора при изменении параметров схемы замещения этого трансформатора. Показана возможность визуализации изменения параметров трансформатора с применением математического аппарата конформных отображений. Построены номограммы входного сопротивления трансформатора марки ОМ-1,2/10 при изменении значения сопротивлений изоляции и переходного сопротивления в местах соединений. На основании построенных номограмм сделаны выводы о поведении области входного сопротивления трансформатора в различных ситуациях.
Ключевые слова: Электроснабжение, нетяговые потребители, трансформатор, конформное отображение, четырехполюсник.
Maxim M. Sokolov
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
DISPLAYING THE CHANGING LINEAR TRANSFORMERS PARAMETERS IN THE SYSTEMS OF RAIL AUTOMATICS AND TELEMECHANICS
Abstract. This article is devoted to the investigation of the internal parameters of transformers used for power supply of railway automatic and telemechanic devices. In this paper, the change in the nomogram of the impedance area of a power transformer is considered when changing the parameters of the replacement circuit of this transformer. The possibility of visualizing the change in the parameters of a transformer using the mathematical apparatus of con-formal mappings is shown. The nomograms of the input resistance of the single-phase oil transformer are constructed with a change in the value of the insulation resistance and the transient resistance at the junction points. Based on the constructed nomograms, conclusions were drawn on the behavior of the input impedance region of the transformer in various situations.
Keywords: Power supply, non-traction consumers, transformer, conformal mapping, four-terminal network.
Согласно стратегии развития холдинга «РЖД» на период до 2030 г. одной из стратегических задач в сфере содержания и ремонта инфраструктуры является расширение практики планирования обслуживания и ремонтов оборудования по фактическому состоянию с учетом прогнозируемых предотказных состояний и рисков. Решение данной задачи невозможно без разработки систем мониторинга и диагностирования в реальном времени, в том числе в хозяйстве электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД».
Электрическая энергия на сети железных дорог расходуется как на тяговые нужды, так и
на электроснабжение нетяговых потребителей.
Устройства железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) относятся к нетяговым потребителям I категории и должны получать питание от надежных постоянно действующих энергосистем, электростанций, подстанций или линий электропередач, располагающих достаточной мощностью и имеющих стабильную частоту и напряжение на своих шинах [1].
Электропитание устройств автоматики и телемеханики на перегонах и малых станциях осуществляется от высоковольтных линий (ВЛ) сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Электроэнергия по ВЛ СЦБ передается от трансформаторной или тяговой подстанции в зависимости от рода тяги на участке железной дороги.
ВЛ СЦБ выполняются трехфазными трехпроводными с изолированной нейтралью напряжением 6 или 10 кВ.
Электрическая энергия от ВЛ СЦБ к потребителю поступает через линейный трансформатор марки ОМ или ОЛ (рисунок 1), который подключается к двум нижним проводам линии электроснабжения.
К ВЛ СЦБ
II
Ч
и,
Устройства подключения линии электроснабжения
Линейный транс форматор
Устройства подключения нагрузки
Нагрузка
Рисунок 1 - Схема подключения трансформатора
В качестве нагрузки трансформатора может рассматриваться любое устройство ЖАТ, получающее электрическую энергию от ВЛ СЦБ. Например, релейный шкаф автоблокировки, линейный пункт по обнаружению нагретых букс, переездные устройства.
В дальнейшем под термином «линейный трансформатор» будем подразумевать электрическую схему (см. рисунок 1), состоящую из трех элементов: схемы трансформации напряжения, устройств подключения линии электроснабжения и устройств подключения нагрузки (устройства защиты, клеммные соединения и др.).
Каждый элемент рисунка 1 можно представить схемой замещения в виде четырехполюсника (ЧП) [2].
Классически связь между напряжениями и токами на входе и выходе ЧП устанавливается при помощи системы уравнений:
И вх = А • ивЫХ + В • /н
1 = с • ивых + Б • /
(1)
Эквивалентная схема замещения представляется в виде каскадного соединения трех ЧП (рисунок 2).
Рисунок 2 - Эквивалентная схема замещения
2
Коэффициенты А, В, С и Б характеризуются параметрами каждого из элементов схемы. В нашем случае, имея каскадного соединение трех ЧП, получим:
иЛ
V Л У
А В с В
А в,
с
V 2
В.
2 У
А3 В3
V сз
В.
3 У
и4 V 14 У
А
^экв
с
V экв
Вя
В.
Л и
4
экв
V 14 у
(2)
где Аэкв, Вэкв, Сэкв, Вэкв - коэффициенты ЧП эквивалентной схемы замещения.
Для определения параметров схемы замещения линейного трансформатора, используемого для электропитания устройств автоматики, можно воспользоваться общепринятой методикой [3].
В качестве математического аппарата для анализа параметров полученного эквивалентного ЧП предлагается использовать более быстрый и точный по сравнению с матричным аппарат конформных отображений [4].
Конформным отображением называется биекция области 2 на область Ж такая, что в окрестности любой точки 2 главная часть взаимнооднозначного отображения есть ортогональное преобразование с сохранением ориентации [5].
Отображение множества выходных параметров Ъ четырехполюсника на множество входных параметров Ж выполняется с использованием дробно-линейного преобразования:
Ж
А • 2 + В С • 2 + В
(3)
Номограмма входного сопротивления эквивалентного ЧП при дробно-линейном преобразовании правой полуплоскости представлена на рисунке 3 [6].
Рисунок 3 - Номограмма входного сопротивления эквивалентного ЧП при дробно-линейном преобразовании правой полуплоскости
В результате конформного преобразования правой полуплоскости получаем множество значений входных сопротивлений четырехполюсника, имеющего форму окружности и соответствующего всем возможным значениям выходного сопротивления (сопротивления нагрузки) [6]. Таким образом, вместо бесконечного количества возможных сопротивлений нагрузки возможно получение конечной области входных сопротивлений эквивалентного четырехполюсника.
Аппарат конформных отображений позволяет вычислить образы соответствующих окружностей. При этом правая полуплоскость множества выходных параметров представляется сеткой значений, т. е. отображением прямых, параллельных оси ординат, и прямых, параллельных оси абсцисс [7].
Согласно утверждению работы [5] центры и радиусы отображаемых окружностей определяются по следующим формулам:
ш0 = ■
2-а-А -С + А - Б-Х + В -С-X 2-а-|С|2 + 2-Яе(С-Б• X) :
(4)
А
--ю0
С 0
(А-Б - В-С )
2-а-|С|2 + 2- Яе (С- Б-X)
(5)
где X, а - коэффициенты прямой;
С, Б, X - сопряженные комплексные величины.
Использование аппарата конформных отображений позволяет визуализировать появление постепенных и внезапных отказов элементов исследуемой схемы при изменении ее параметров [8, 9], например:
- снижение сопротивления изоляции устройств подключения обмоток;
- снижение сопротивления изоляции трансформатора;
- изменение коэффициента трансформации;
- появление переходного сопротивления в различных местах схемы.
В качестве примера рассмотрим изменение области входного сопротивления эквивалентного ЧП линейного трансформатора марки ОМ-1,2/10:
при понижении сопротивления изоляции (Яи1) в устройствах подключения линии электроснабжения (рисунок 4);
при понижении сопротивления изоляции (Яи2) в устройствах подключения нагрузки (рисунок 5).
Рисунок 4 - Изменение области входного сопротивления эквивалентного ЧП линейного трансформатора при снижении сопротивления изоляции в устройствах подключения линии электроснабжения
В работе [4] в общем виде показана возможность применения аппарата конформных отображений для комплекта устройств, состоящего из электротехнических элементов (в том числе линейного трансформатора) в случае изменения одного из параметров схемы замеще-
ния. Оценим поведение области входного сопротивления эквивалентного четырехполюсника при сочетании изменения двух параметров:
при появлении переходного сопротивления (Япх) в устройствах подключения нагрузки (рисунок 6) и Яи1=1000 Мом;
при появлении переходного сопротивления (Япх) в устройствах подключения нагрузки (рисунок 7) и Яи1=1 МОм.
0 1 2 ."5 4 МОм 6
Яс(\\'}-►
Рисунок 5 - Изменение области входного сопротивления эквивалентного ЧП линейного трансформатора при снижении сопротивления изоляции в устройствах подключения нагрузки
3-
0 1 2 3 4 МОм 6
Рисунок 6 - Изменение области входного сопротивления эквивалентного ЧП линейного трансформатора при появлении переходного сопротивления в устройствах подключения нагрузки (Яи1 = 1000 МОм)
0,45-
0 0,2 0,4 0,6 МОм 1
Яе(\У) -►
Рисунок 7 - Изменение области входного сопротивления эквивалентного ЧП линейного трансформатора при появлении переходного сопротивления в устройствах подключения нагрузки (Яи1 = 1 МОм)
Проведенный анализ полученных областей позволил сделать следующие выводы.
1. При снижении сопротивления изоляции в устройствах подключения линии электроснабжения (см. рисунок 4) область значений входного сопротивления сужается и смещается в сторону уменьшения активного сопротивления вплоть до нуля (короткое замыкание первичной обмотки).
2. При снижении сопротивления изоляции в устройствах подключения нагрузки до значений 0,1 МОм (см. рисунок 5) область значений входного сопротивления изменяется незначительно, при дальнейшем снижении сопротивления изоляции она сужается и смещается в сторону уменьшения активного сопротивления вплоть до значения эквивалентного сопротивления трансформатора в режиме короткого замыкания.
3. По мере увеличения переходного сопротивления в устройствах подключения нагрузки (см. рисунки 6 и 7) область, полученная при конформном преобразовании, сужается и смещается в сторону уменьшения активного и увеличения индуктивного сопротивления и стремится к точке эквивалентного сопротивления трансформатора в режиме холостого хода.
4. При изменении значений внутренних параметров схемы замещения происходит не только сужение или расширение области входного сопротивления, но и ее вращение (см. рисунки 6 и 7).
Для оценки состояния линейного трансформатора с применением номограмм необходимы реальные значения А-параметров четырехполюсника исследуемой схемы в условиях эксплуатации или ремонтного участка. В свою очередь для расчета значений А-параметров четырехполюсника необходимы значения токов и напряжений на входе и выходе схемы [6]. Таким образом, для организации системы мониторинга текущего состояния линейного трансформатора необходимо обеспечить измерение и передачу в центр мониторинга значений 11, и1, 12, и2 (см. рисунок 1). На основании полученных значений возможно построение номограммы области входного сопротивления линейного трансформатора в режиме реального времени, а по динамике изменения этой области возможно определение причины отклонения параметров от нормативных значений.
В условиях ремонтного участка для определения состояния трансформатора необходимо подключить к его вторичной обмотке нагрузку, эквивалентную номинальной, и подать на первичную обмотку номинальное напряжение. Измерив значения токов и напряжений на
входе и выходе схемы, можно построить номограмму входного сопротивления трансформатора. Сравнив полученную окружность с аналогичной номограммой эталонного трансформатора, можно сделать заключение о возможных повреждениях, тем самым сократить время поиска причины и устранения повреждения.
Обработка результатов измерения, построение соответствующих номограмм и процесс выдачи предварительного заключения по состоянию трансформатора, безусловно, должны быть автоматизированы и не должны требовать привлечения персонала.
Конкретные технические решения по организации системы измерения, передачи и обработки данных требуют отдельного рассмотрения.
Номограммы могут быть использованы при мониторинге текущего состояния электрооборудования в условиях эксплуатации или для определения места повреждения в условиях ремонтно-ревизионного участка (РРУ) или мастерских и в целом могут позволить перейти от планового ремонта к обслуживанию по состоянию.
Графическое представление позволяет оценить влияние параметров каждого элемента линейного трансформатора на результат конформного отображения правой полуплоскости выходных значений на область входных значений и могут быть использованы при мониторинге текущего состояния трансформатора в условиях эксплуатации или для определения места повреждения в условиях РРУ. Например, постепенное сужение области входного сопротивления и смещение ее центра влево по оси абсцисс может служить признаком снижения сопротивления изоляции в устройствах подключения линии электроснабжения. В то же время существуют повреждения, которые будут слабо различимы предлагаемым способом, что требует дальнейшего исследования.
Список литературы
1. Правила устройства электроустановок [Текст]. - СПб: Деан, 2003. - 928 с.
2. Волков, Е. А. Теория линейных электрических цепей железнодорожной автоматики, телемеханики и связи [Текст] / Е. А. Волков, Э. И. Санковский, Д. Ю. Сидорович. - М.: Маршрут, 2005. - 507 с.
3. Соколов, М. М. Контроль состояния системы электроснабжения устройств железнодорожной автоматики: Монография [Текст] / М. М. Соколов // Lambert Academic Publishing. -Саарбрюккен, 2012. - 161 с.
4. Лунев, С. А. Контроль технического состояния элементов системы электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог [Текст] / С. А. Лунев, Р. Ш. Аюпов, М. М. Соколов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Сибирский гос. ун-т водного транспорта. - Новосибирск, 2010. - № 1. - С. 254 - 257.
5. Лаврентьев, М. А. Методы теории функций комплексного переменного [Текст] / М. А. Лаврентьев, Б. В. Шабат. - М.: Лань, 2002. - 688 с.
6. Аюпов Р. Ш. Синтез системы пропуска обратного тягового тока в электротехническом комплексе электроснабжения железных дорог: Автореферат дис... канд. техн. наук [Текст] / Р. Ш. Аюпов / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2009. - 19 с.
7. Аюпов, Р. Ш. Анализ рельсовых цепей с использованием аппарата конформных отображений в системе Matlab [Текст] / Р. Ш. Аюпов // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Сб. науч. статей аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2007. - Вып. 8. - С. 7 - 13.
8. Соколов М. М. Совершенствование методов контроля состояния электротехнического комплекса электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог: Автореферат дис. канд. тех. наук [Текст] / М. М. Соколов / Омский гос. техн. ун-т. -Омск, 2010. - 19 с.
9. Соколов, М. М. Контроль технического состояния линии электроснабжения устройств железнодорожной автоматики [Текст] / М. М. Соколов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 3 (11). - С. 88 - 95.
References
1. Pravila ustrojstva jelektroustanovok (Rules for the installation of electrical installations). Sankt-Peterburg: Dean, 2003, 928 p.
2. Volkov E. A., Sankovskij Je. I., Sidorovich D. Ju. Teorija linejnyh jelektricheskih cepej zheleznodorozhnoj avtomatiki, telemehaniki i svjaz (Theory of linear electric circuits of railway automatics, telemechanics and communications). Moscow, 2005, 507 p.
3. Sokolov M. M. Kontrol' sostojanija sistemy jelektrosnabzhenija ustrojstv zheleznodorozhnoj avtomatiki (Monitoring the state of the power supply system for railway automation devices). Saar-brjukken, 2012, 161 p.
3. Sokolov M. M. Jelektropitanie ustrojstv zheleznodorozhnoj avtomatiki i telemehaniki. Chast' 1 (Power supply devices for railway automation and telemechanics. Part 1). Omsk, 2017, 34 р.
4. Lunev S. A., Ajupov R. Sh. Sokolov M. M. Control of the technical condition of the elements of the electricity supply system for non-railway consumers of railways [Kontrol' tehnich-eskogo sostojanija jelementov sistemy jelektrosnabzhenija netjagovyh potrebitelej zheleznyh dorog]. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka - Scientific problems of transport in Siberia and the Far East, 2010, no 1, 254 - 257 рр.
5. Lavrent'ev M. A., Shabat B. V. Metody teorii funkcij kompleksnogo peremennogo (Methods of the theory of functions of a complex variable). Moscow: Lan, 2002, 688 р.
6. Ajupov R. Sh. Sintez sistemy propuska obratnogo tjagovogo toka v jelektrotehnicheskom komplekse jelektrosnabzhenija zheleznyh dorog (Synthesis of reverse traction current transmission system in the electrical power complex of railroad power supply). Omsk, 2009, 19 p.
7. Ajupov R. Sh. Analiz rel'sovyh cepej s ispol'zovaniem apparata konformnyh otobrazhenij v sisteme Matlab (Analysis of the rail circuits using the conformal mapping apparatus in the Matlab system). Omsk, 2007, vol. 8, 7 - 13 pp.
8. Sokolov М. М. Sovershenstvovanie metodov kontrolja sostojanija jelektrotehnicheskogo kompleksa jelektrosnabzhenija ustrojstv avtomatiki jelektrificirovannyh zheleznyh dorog (Perfection of methods for monitoring the state of the electrical power complex for electrified automation devices of electrified railways). Omsk, 2010, 163 p.
9. Sokolov M. M. Monitoring the technical condition of the power supply line for railway automation devices (Kontrol' tehnicheskogo sostojanija linii jelektrosnabzhenija ustrojstv zheleznodorozhnoj avtomatiki) Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2012, no. 3 (11), 88 - 95 pp.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Соколов Максим Михайлович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС.
Тел.: +8 (3812) 311872.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Соколов, М. М. Визуализация изменения параметров линейных трансформаторов в системах железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / М. М. Соколов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). - C. 130 -137.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Sokolov Maxim Mikhailovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department « Automatics and telemechanics» », OSTU. Phone: +7 (3812) 37-60-82. E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Sokolov M. M. Displaying the changing linear transformers parameters in the systems of rail automatics and telemechanics. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 130 - 137 (In Russian).
