СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ ФАЗЫ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ Российский патент 2004 года по МПК B61L23/16 

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и может быть использовано для контроля состояния рельсовых линий, входящих в состав рельсовых цепей синусоидального тока.

Известны способы определения фазового сдвига между двумя синусоидальными напряжениями, т.е. способы определения начальной фазы второго напряжения относительно начальной фазы первого, соответствующей моменту перехода напряжения через нуль от отрицательных значений к положительным, на основе непосредственного измерения их действующих значений [1, стр.230] и формирования ширины импульсов одинаковой амплитуды и среднего их значения, прямо пропорционального фазовому сдвигу [1, стр.231]. Эти способы не могут быть использованы для определения начальной фазы напряжения на приемном конце рельсовой линии, отсчитываемой от начальной фазы напряжения на ее питающем конце, так как в рельсовых цепях на перегонах эти напряжения удалены друг от друга на большие расстояния.

Известен способ определения фазового сдвига (между двумя синусоидальными напряжениями на основе преобразования фазового сдвига во временной интервал Δ t между переходами через нуль этих напряжений, который пропорционален фазовому сдвигу: ϕ =360° · Δ t/T [1, стр.235].

Данный способ можно использовать для определения начальной фазы напряжения U₂ на выходе рельсовой линии относительно начальной фазы напряжения U₁, на ее входе при их большом удалении друг от друга, если имеется третье напряжение - напряжение синхронизации, начальные фазы которого на питающем (с территориальной точки зрения) и приемном концах рельсовой линии либо равны либо стабильно сдвинуты на определенный угол.

В качестве напряжения синхронизации на перегонах можно использовать пониженное напряжение линии автоблокировки при условии стабильности фаз на приемном и питающем концах.

Данный способ выбран авторами в качестве прототипа.

Целью изобретения является способ определения начальной фазы напряжения на приемном конце рельсовой линии, входящей в состав рельсовой цепи синусоидального тока при отсутствии напряжения синхронизации. Указанная цель достигается тем, что в рельсовой линии, входящей в состав рельсовой цепи синусоидального тока и нагруженной на номинальное сопротивление Z_H, равное номинальному волновому сопротивлению Z_BH рельсовой линии, соответствующему номинальным значениям комплексного сопротивления Z_0H Ом/км рельсовой нити и комплексной проводимости Y_0H Ом/км изоляции, в нормальном режиме измеряются действующие значения напряжений и токов (U₁, U₂, I₁, I₂) на ее питающем и приемном концах, сдвиг по фазе Δ ϕ ₂, между напряжением U₂ и током I₂; по известным длине 1 км рельсовой линии, номинальному сопротивлению Z_0H рельсовой нити, номинальной проводимости Y_0H изоляции рассчитываются номинальное волновое сопротивление Z_BH, номинальный коэффициент распространения волны γ _H=α _H+jb_H, номинальный коэффициент К_H=U_1H/U_2H в нормальном режиме и при нагрузке Z_H=Z_BH; по измеренным U₁, U₂, I₁, I₂ и Δ ϕ ₂ вычисляются реальная нагрузка Z_H=(U₂/I₂)• рельсовой линии и коэффициент К=(U₂·_{I1)/(U1·I2); при выполнении условия ZH=ZBH вычисляется фаза напряжения U2 по соотношению}

Справедливость соотношений для определения ϕ ₂ следует из следующих рассуждении применительно к частоте 50 Гц питающего напряжения рельсовой цепи.

Сопротивление рельсовой нити длиной 1 км равно Z₀=0.8· e^j65° =0.3381+j0.72505 [2, стр.43]. Отклонение в процессе эксплуатации его вещественной части принимаем равным ±10.

Z_0max=0.3381+(0.3381· 0.1)+j0.72505=0.81487· е^j62.845° . За номинальное сопротивление рельсовой нити принимаем

Проводимость балласта Y₀ изменяется в процессе эксплуатации от Y_0min=G_0min+jQ_0min до Y_0max=G_0max+jQ_0max При этом за номинальную проводимость Y_0H принимаем значение , где Y₀₁=1, Y₀₂=1+jQ₀₂, где Q₀₂ изменяется в пределах arctg(Q₀₂/1)≤ 10° [2, стр.43]. В этом случае Y₀₂=1+j0.17633=1.015· e^j10° . За номинальную проводимость принимаем Номинальное волновое сопротивление

Номинальный коэффициент распространения волны

Номинальная нагрузка

Z_H=Z_BH=0.8952· e^j28.2113° =0.7888+j0.4233

Если Z₀=Z_0H=R_0H+jX_0H, Y₀=Y_0H=G_0H+jQ_0H γ =γ _H=a_H+jb_H, Z_B=Z_BH и рельсовая линия нагружена на Z_H=Z_BH, то ее уравнения состояния

имеют

вид [3]

Из(2)

Так как γ _H=α _H+jb_H, то:

Из первого уравнения системы (4)

Из (5) следует

Принимая ϕ ₁=0

Из 2-го уравнения системы (7)

После подстановки (8) в первое уравнение (7)

где К_H=U_1H/U_2H. При этом К_H не зависит от величины U_1H, т.е. от величины напряжения питания рельсовой линии в нормальном режиме.

При работе рельсовой цепи в номинальном, т.е. согласованном режиме, входное сопротивление нагруженной рельсовой линии будет равно сопротивлению ее номинальной нагрузки и, следовательно

Если разделить первое уравнение (4) на второе, то с учетом (10) получим, что

При "нарушении" номинального согласованного режима работы рельсовой цепи, вызванного изменением вещественной части проводимости изоляции, будет изменяться значение коэффициента К (оно не будет равно I)

Будет изменяться также и фаза напряжения U₂. При этом ее текущее значение будет очень близко к величине

где ϕ _2H вычисляется по (9), а коэффициент К - по (12), в котором U₁, U₂, I₁, I₂ - измеряемые текущие действующие значения напряжения и тока на входе и выходе рельсовой линии.

В таблице 1 представлены действительные значения начальной фазы ϕ _2Д напряжения U₂ при изменении вещественной части проводимости изоляции от 0.01 до 5 См/км при ϕ ₁=0, Z₀=Z_0H=0.3862 + j0.709 Ом/км и Z_H=Z_BH=0.7888+j0.4233, полученные на основе математического моделирования работы рельсовой цепи с использованием известных соотношений

а также значения ϕ _2P, полученные на основе моделирования ее работы с использованием соотношений (9), (12) и (13).

Из таблицы (1) видно, что ϕ _2Р, отличается от ϕ _2Д не более чем на 8.2%, что подтверждает возможность использования полученных соотношений для определения ϕ ₂ при отсутствии напряжения синхронизации.

С практической точки зрения за номинальные значения параметров рельсовых линий при работе их на частоте 50 Гц можно принять: Z_0Н=0.8· е^j65° Ом/км, Y_0H=1 См/км. Однако в этом случае, как показали исследования, погрешность определения ϕ ₂, при изменении мнимых частей сопротивления рельсовой нити и проводимости изоляции возрастает, но не превышает 9%. В таблице 2 представлены (для этого случая) результаты анализа изменения фазы напряжения U₂ на основе точного моделирования работы РЛ с использованием (14), а также с использованием (13).

Номинальные параметры эксплуатируемой на частоте 50 Гц рельсовой линии, нагруженной на приведенное к ее выходу сопротивление Z_H, выбирается так.

Известное сопротивление нагрузки Z_H принимается равным номинальному волновому сопротивлению Z_BH рельсовой линии при номинальном сопротивлении рельсовой нити Z_0H=0.8· е^j65° Ом/км.

Номинальная проводимость при этом вычисляется по известному соотношению Y_0H=Z_0H/Z2BH

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что предварительно по известным длине l км рельсовой линии, номинальному сопротивлению Z_0H, рельсовой нити, номинальной проводимости Y_0H, изоляции рассчитывается номинальное волновое сопротивления Z_BH, номинальный коэффициент распространения волны γ _H=α _H+jb_H, номинальный коэффициент К_H=U_1H/U_2H в нормальном режиме и при нагрузке Z_H=Z_BH; по измеренным в нормальном режиме U₁, U₂, I₁, I₂ и Δ ϕ ₂ вычисляются реальная нагрузка Z_H=(U₂/I₂)· e^{jΔ ϕ 2} рельсовой линии и коэффициент К=(U₂·_{I1)/(U1·I2); при выполнении условия ZH≈ZBH вычисляется фаза напряжения U2, по соотношению , которое не известно, как не известна и последовательность выполнения предлагаемых процедур, обеспечивающих определение начальной фазы U, при отсутствии напряжения синхронизации.}

Предлагаемый способ соответствует критериям изобретения "новизна", "существенные отличия", "изобретательский уровень".

Использование данного способа обеспечивает возможность определения начальной фазы напряжения U₂ на выходе рельсовой линии и, тем самым, контроля состояния сопротивлений рельсовой нити и балласта по способу [4] при отсутствии напряжения синхронизации с целью повышения безопасности движения поездов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Кушнир Ф.В. и др. Измерения в технике и связи. Учебник для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: Связь, 1976, - 432с.

2. Дмитренко И.Е., Сапожников В.В., Дьяков Д.В. Измерения и диагностирование в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Учебник для вузов ж.-д. Трансп./Под ред. И.Е.Дмитренко. М.: Транспорт, 1994, - 263с.

3. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Том первый. Л.: Энергоиздат, 1981, - 495с.

4. Пиманов А.Е. Определение первичных параметров рельсовой линии по измеренным в нормальном режиме комплексным амплитудам токов и напряжений на ее входе и выходе. "Безопасность движения поездов"// Труды научно-практической конференции. - М.: МИИТ, 2002, - 290с.

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и предназначено для использования при осуществлении контроля состояния рельсовых линий, входящих в состав рельсовых цепей синусоидального тока. На питающем и приемном концах рельсовой линии имеются действующие значения напряжений и токов U₁, U₂, I₁, I₂, сдвиг по фазе между напряжением U₂ и током I₂ составляет Δϕ₂. Предварительно по известной длине l км рельсовой линии, номинальному значению комплексного сопротивления Z_0Н рельсовой нити, номинальной проводимости Y_OH изоляции рассчитывают номинальное волновое сопротивление Z_ВН рельсовой линии, номинальный коэффициент распространения волны γ _H=a_Н+jb_H, номинальный коэффициент К_Н=U_1Н/U_2Н в нормальном режиме и при нагрузке Z_H=Z_BH. По измеренным U₁, U₂, I₁, I₂ и Δϕ₂ вычисляют реальную нагрузку Z_H=(U₂/I₂)· е^jΔϕ2 рельсовой линии и коэффициент К=(U₂·I₁)/(U₁·I₂), при выполнении условия Z_Н≈Z_ВН вычисляют фазу напряжения U₂ по соотношению ϕ2=К· arccos[(К_н·cos(b_н·l))/]. Данный способ характеризуется упрощенной совокупностью составных операций и, в частности, не требует напряжения синхронизации. 2 табл.

Способ определения начальной фазы напряжения на приемном конце рельсовой линии, входящей в состав рельсовой цепи синусоидального тока и нагруженной на номинальное сопротивление Z_H, равное номинальному волновому сопротивлению Z_BH рельсовой линии, соответствующему номинальным значениям комплексного сопротивления Z_OH Ом/км рельсовой нити и комплексной проводимости Y_OH См/км изоляции, согласно которому в нормальном режиме измеряют действующие значения напряжений и токов U₁, U₂, I₁, I₂ на ее питающем и приемном концах, сдвиг по фазе Δ ϕ ₂ между напряжением U₂ и током I₂, отличающийся тем, что предварительно по известной длине l км рельсовой линии, номинальному значению комплексного сопротивления Z_OH рельсовой нити, номинальной проводимости Y_OH изоляции рассчитывают номинальное волновое сопротивление Z_BH рельсовой линии, номинальный коэффициент распространения волны γ _H=α _H+jb_H, номинальный коэффициент К_H=U_1H/U_2H в нормальном режиме и при нагрузке Z_H=Z_BH, по измеренным U₁, U₂, I₁, I₂ и Δ ϕ ₂ вычисляют реальную нагрузку Z_H=(U₂/I₂)/ рельсовой линии и коэффициент К=(U₂·_{I1)/(U1·I2), при выполнении условия ZH≈ZBH вычисляют фазу напряжения U2 по соотношению}

=К· arccos[(К_H·_{cos(bH·l))/].}