Радиосистема для регистрации дуговых нарушений токосъёма в электротяговых сетях переменного тока и статистические характеристики принимаемых сигналов

218

Общетехнические задачи и пути их решения

Подавление ТГК можно обеспечить установкой параллельно стенкам котла цилиндрических тепловых аккумуляторов, которые, имея температуру поверхности 80...100°С, создавали бы над собой восходящий поток жидкости (рис. 2, б). Два параллельных потока жидкости - нисходящий у стенки котла и восходящий над аккумулятором - блокируют циркуляционное движение в область пространства между ними и расширяя область неподвижных изотермических ядер.

Заключение

В 30-х годах прошлого века академик М. А. Михеев разработал очень удачную модель элементарной теплопроводности жидкости, циркулирующей в канале с параллельными стенками, имеющими постоянный перепад температур, и впервые ввел понятие коэффициента конвекции. Эта модель позволила описывать многие тепловые процессы в жидких средах без применения уравнений гидродинамики. Она широко используется в практике, но дальнейшего развития не получила.

В настоящей работе предпринята попытка расширить модель академика М. А. Михеева на случай охлаждения горячих жидкостей в горизонтальном цилиндре, у которого известен закон теплообмена только на одной внешней поверхности. Модель рассматривалась для конкретной задачи охлаждения темных нефтепродуктов при перевозках в цистернах.

Статья поступила в редакцию 31.01.2011;

представлена к публикации членом редколлегии В. А. Ходаковским.

УДК 621.331: 621.336.24

Ю. Г. Семенов

РАДИОСИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДУГОВЫХ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЁМА В ЭЛЕКТРОТЯГОВЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИНИМАЕМЫХ СИГНАЛОВ

Структура радиосистемы для регистрации дуговых нарушений токосъёма на контактной сети определяется характером и составом принимаемых радиосигналов и помех. Получены статистические характеристики сигналов и помех, необходимые для оптимальной регистрации дуговых нарушений и определения регистрирующей способности системы.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

219

токосъём, дуговые нарушения, характеристики радиосигналов, система регистрации.

Введение

Построение систем бесконтактной диагностики для обнаружения устойчивых дефектов контактной сети, неисправных токоприемников, гололедных режимов, создающих опасные дуговые нарушения токосъема [1], требует выбора диагностических признаков для регистрации таких нарушений. Одним из возможных признаков являются электромагнитные импульсные радиоизлучения, возникающие при дуговых нарушениях в широком спектре радиочастот (далее - полезный сигнал).

Регистрация полезных сигналов производится на фоне различного рода помех, не связанных с дуговыми нарушениями. Фон создается контактной сетью, тяговым и вспомогательным электрооборудованием электроподвижного состава (ЭПС), посторонними источниками и проявляет себя в виде непрерывных радиопомех случайного уровня (далее - гладкая помеха). Помехи вызывает процесс токосъема без дуги (далее - контактная помеха), и пускорегулирующая аппаратура ЭПС (далее - коммутационная помеха), создающие импульсные радиопомехи случайного уровня и периода повторения.

Из всех характеристик сигналов и помех следует выбрать такие, которые необходимы для решения основных задач при построении отдельных узлов системы регистрации. Первая задача состоит в определении различий в характере и составе полезных сигналов и помех по количеству и периодичности повторения импульсов. Вторая задача заключается в определении области радиочастот, в которой обеспечивается наибольшее отношение сигнал-помеха. Здесь требуется получение панорамных распределений пиковых уровней полезного сигнала и коммутационных помех. Третья задача - определение энергетических спектров полезных сигналов и гладкого фона для построения оптимальных фильтров [1], [2] и выбора оптимальных порогов срабатывания [1], [3].

Измерения входных сигналов, набор необходимого количества данных, сравнение параметров сигналов и помех возможны только при регистрации их из движущегося совместно с ЭПС вагона-лаборатории (ВИКС) при условии неизменного расстояния измерительной аппаратуры до токоприемника ЭПС.

1 Натурный эксперимент и предварительный анализ результатов

1.1 Условия эксперимента

Исследования проводились в реальных условиях объезда участков контактной сети совместно с ВИКС при движении с пассажирским составом при скоростях до 90 км/ч на участках переменного тока. Для тяги использовался электровоз ЧС-4. Измерения уровней радиоизлучений проводились при помощи измерителей радиопомех типа BSM301-A5 и BSM401-

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

220

Общетехнические задачи и пути их решения

A5, предназначенных для селективного измерения уровней радиопомех в диапазонах соответственно 0,15.. .30 МГ ц и 30.. .300 МГ ц.

Регистрировалась электрическая составляющая излучений на различных радиочастотах с помощью несимметричной штыревой антенны длиной 1 м (до 30 МГц) и симметричного вибратора (более 30 МГц), устанавливаемых на торце ВИКС на кронштейне со стороны заднего рабочего токоприемника электровоза. Уровень установки верхнего конца антенн -0,5 м над уровнем крыши ВИКС при удалении от торца ВИКС 0,6 м. Регистрация осуществлялась путем записи огибающей высокочастотного излучения путем подключения регистрирующей аппаратуры к линейному выходу амплитудного детектора измерителей. Сигнал подавался на запоминающий осциллограф С8-9А и параллельно на аналоговый вход компьютера. Это позволило производить запись как отдельных форм огибающих кратковременных импульсных сигналов, в том числе их пиковых значений, а также длительных непрерывных сигналов.

1.2 Состав регистрируемых сигналов и предварительный анализ

результатов

На рисунке 1 показан фрагмент записи огибающей радиоизлучения от токосъема и его нарушений. Фрагмент соответствует режиму тяги ЭПС.

Рис. 1. Огибающая излучения: а - гладкий фон; б - дуговой отрыв;

в - контактная помеха

Анализ записей показывает, что сигналы как от дуговых нарушений (б), так и от нарушений токосъема без возникновения дуги (в) носят импульсный характер. Импульсы накладываются на достаточно устойчивый сигнал гладких помех (а), представляющий собой непрерывный случайный процесс с ненулевым средним значением. Средний уровень и колебания гладкой помехи зависят от нагрузки ЭПС и максимальны в режиме тяги. Этот режим следует выбрать для дальнейшего анализа как наиболее неблагоприятный для регистрации дуговых отрывов.

Эксперименты показывают, что сигналы от дуговых нарушений представляют собой плотные пакеты импульсов. Установлено, что значительные уровни полезных сигналов и их пакетных характеристик наблюдаются при условии, что длительность нарушения контакта совпала с переходом

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

221

тока дуги через ноль. При наличии дугового нарушения, в котором такой переход отсутствует, полезный сигнал соизмерим с гладкой помехой и не носит пакетного характера. На рисунке 2 приведены характерные осциллограммы сигналов от одиночных дуговых отрывов с переходом, а на рисунке 3 - без перехода тока дуги через ноль. Причина такого отличия заключается в том, что при попадании момента перехода тягового тока через ноль в длительность отрыва дуга возникает в начале следующего полупериода через электрические повторные пробои воздушного промежутка в контакте и неустойчива. При этом образуются плотные пакеты коротких импульсов значительной амплитуды. В случаях, когда в течение отрыва такой переход тока через ноль отсутствует, дуга достаточно устойчива, не прерывается и погасает за счет восстановления контакта.

Пиковые значения импульсов полезного сигнала в пакетах случайны. Наибольшие пиковые уровни наблюдаются в режиме выбега, при незначительных токах нагрузки и больших скоростях движения. Минимальные пиковые уровни излучения от дуговых отрывов приходятся на низкие скорости и большие токи тяги. Форма импульсов в пакетах полезных сигналов близка к экспоненциальной. На рисунке 4, а, б представлены типичные осциллограммы полезного сигнала от дугового нарушения и коммутационной помехи соответственно.

JY, мВ

iL_JL~

467,745 467,750 467,755 467,760 с

Рис. 2. Импульсные сигналы при дуговых нарушениях с переходом тока через ноль

Рис. 3. Сигнал от дугового нарушения без перехода тока через ноль

Импульсные помехи от коммутационных процессов в ЭПС проявляют себя в виде короткой серии одиночных или сдвоенных импульсов, не образующих плотные пакеты (рис. 4, б). Пиковые уровни коммутационных помех имеют наибольшие значения, как правило, в моменты включения и

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

222

Общетехнические задачи и пути их решения

выключения нагрузки ЭПС. Уровень импульсных коммутационных помех соизмерим с уровнем полезных сигналов и превышает уровень контактных помех. Коммутационные помехи представляют собой значительно более редкие явления в отличие от контактных помех при токосъеме.

а) б)

Рис. 4. Осциллограммы: а - полезный сигнал; б - коммутационная помеха

Контактные помехи проявляют собой одиночные или сдвоенные короткие импульсы со случайной амплитудой и периодом следования. Средний уровень таких помех ниже, чем средний уровень коммутационных помех и полезных сигналов.

2 Структура радиосистемы регистрации дуговых нарушений токосъема

Структура радиоприемной системы определяется составом и особенностями принимаемого входного радиосигнала (рис. 5).

Рис. 5. Обобщенная структура автоматизированной радиосистемы

Первичная частотная селекция полезного сигнала из смеси с помехами должна осуществляться антенным узлом (АУ) в той области радиочастот, где наблюдается максимальное отношение полезный сигнал - коммутационная помеха. При этом, учитывая схожесть формы и близость уровней импульсов полезного сигнала и импульсов от коммутационных процессов на ЭПС, область частот АУ должна определяться сравнением указанных сигналов. Дальнейшую обработку принимаемых сигналов необходимо вести путем анализа огибающей радиоизлучения, выделяемой на линейном амплитудном детекторе АД.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

223

Для вывода АД в линейный режим служит усилитель высоких частот УВЧ. Далее необходимо отфильтровать импульсные полезные сигналы случайной амплитуды из смеси с гладким фоном таким образом, чтобы обеспечить максимальное отношение полезный сигнал - гладкий фон по определенному критерию оптимальности. Как показано в [2], для этой цели система должна содержать оптимальный фильтр (ОФ), передаточная характеристика которого соответствует максимуму отношения средней мощности полезного сигнала к средней мощности гладкой помехи на выходе ОФ.

Для синтеза амплитудно-частотной характеристики ОФ требуется получение усредненных энергетических спектров полезных сигналов и помехи гладкого фона. Линейный усилитель ИУО служит для усиления импульсов отфильтрованного сигнала до необходимого уровня. Пороговое устройство (ПУ) осуществляет принятие оптимального решения о пропуске на дальнейший анализ случайных импульсных сигналов, прошедших ОФ.

Как показано в [3], оптимальный порог следует выбирать по критерию Пирсона. В этом случае минимизируется вероятность пропуска полезного сигнала при условии допустимой частоты ложных превышений установленного порога выбросами помехи гладкого фона. Выбранный порог определяет уровень срабатывания компаратора-ограничителя (КО), который превращает поступающие на его вход импульсные сигналы в последовательность прямоугольных импульсов.

Заметим, что полезный сигнал, коммутационные и контактные помехи носят импульсный характер, имеют соизмеримый уровень и идентичны по форме. Отделить импульсный полезный сигнал от импульсных помех оптимальной фильтрацией невозможно. Поэтому для распознавания импульсного полезного сигнала в смеси с импульсными помехами требуется анализ принимаемой последовательности импульсов с помощью программных алгоритмов, реализуемых микроконтроллером (МК). Идентифицированные программным путем дуговые нарушения поступают на блок регистрации, сигнализации и индикации, а также с помощью персонального компьютера (ПК) в локальную производственную информационновычислительную сеть.

3 Признаки распознавания дугового нарушения

В основе алгоритма распознавания дугового нарушения лежит обнаружение плотных пакетов импульсов в анализируемой последовательности импульсов. С учетом пакетной организации полезных сигналов эта задача требует получения таких характеристик, как случайное распределение периодов следования импульсов и распределение числа импульсов в пакетах сигналов и помех.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

224

Общетехнические задачи и пути их решения

Обработка записи сигналов позволила получить гистограмму распределения вероятности Рпс попадания случайных периодов следования импульсов в пакетах сигналов в интервалы времени, гистограммы распределения вероятности Ртс, а также вероятности Ртп числа импульсов т в пакетах сигналов и импульсных помех соответственно. Указанные гистограммы представлены на рисунках 6, 7.

Рис. 6. Гистограмма распределения интервалов времени между импульсами в пакетах полезного сигнала

а)

0,30 ---------------------------------

P-----------1 '----------------------

P тс

0,20----------------------------------

0,15----------------------------------

0,10 ---------------------------------

0,05 • -------------------:

0 ----------------------------------

12345678 9 10 т

Рис. 7. Гистограмма распределения числа импульсов т в пакетах: а - полезного сигнала; б - импульсных помех

Первый признак распознавания дугового нарушения состоит в обнаружении в анализируемой последовательности плотных пакетов импульсов. Для обнаружения плотного пакета следует сравнивать временные отрезки между соседними импульсами с некоторым тестовым временным интервалом, например длительностью 1,8 мс. Если эти отрезки меньше установленной длительности тестового интервала, то они образуют пакет, в котором следующие друг за другом импульсы принадлежат одному пакету. По второму признаку идентифицированный пакет признается полезным сигналом в случае, если количество импульсов в нем превышает установленный порог по количеству, например т> 3. Признаки применяются последовательно.

б)

P o_

Г

0,6

0,5

'u

’

12 0,1 0 J

1 2 3 т 5

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

225

4 Панорамное распределение уровней сигналов и коммутационных помех

Важной задачей является выбор частотного диапазона, в котором обеспечивается наибольшее (в статистическом смысле) отношение полезный сигнал - коммутационная помеха на входе приемных устройств систем диагностики. Здесь сравнение полезного сигнала следует проводить с коммутационными помехами, т. к. они имеют наибольший уровень из всех помех.

Обработке подверглись пиковые уровни импульсов в пакетах полезных сигналов от дуговых нарушений. Идентификация полезных сигналов осуществлялась по признакам, описанным в предыдущем разделе. Максимальный пиковый уровень X для каждой осциллограммы рассчитывался по формуле:

где иа - величина ослабления входного сигнала аттенюатором, дБ; xmax -максимальная амплитуда на осциллограмме, мВ; Хо - напряжение на эквиваленте измерительной головки, соответствующее показаниям прибора в 0 дБ, мВ.

Обработка числовых массивов значений пиковых уровней полезных сигналов при одиночных дуговых нарушениях показала, что с достаточной степенью вероятности принятия гипотезы (от 0,17 до 0,65) распределение максимумов уровней полезных сигналов для каждой из фиксированных частот можно считать нормально-логарифмическим с плотностью вероятности

где X - уровень максимального пика сигнала (или коммутационной помехи), дБ; M[X] - среднее значение пика сигнала (помехи), дБ; о - среднеквадратичное отклонение величины X, дБ.

В качестве примера на рисунке 8 приведена гистограмма распределения плотности вероятности р* максимальных пиков в полезном сигнале, построенная по экспериментальным данным (несущая частота 14 МГц). Здесь же приведена теоретическая кривая плотности вероятности р = f(X), построенная по (1) при условиях:

М* X =М X ; о* = о,

X = Ua+ 20-lg

v *o j

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

226

Общетехнические задачи и пути их решения

где М [Х\, а - соответственно экспериментальные значения среднего уровня и среднеквадратичного отклонения пиковых значений уровней сигналов, дБ.

0,06

p* p 0,04 0,03 0,02 0,01 0

p > V у * p*

V 4 mm >

J

d r- 1

-0* .o' M - o. •O

6 12 18 24 30 36 42 48 52 X, дБ 66

Рис. 8. Экспериментальная

Панорамное по частоте распределение средних значений пиковых уровней полезных сигналов от одиночных дуговых нарушений токосъема M [X] и максимальных уровней коммутационных помех X пм показано на рисунке 9.

0,1 1 10 102 f МГц 103

Рис. 9. Панорамное распределение величин M*[X] и Х*пм

Анализ показывает, что превышение средних значений амплитуд полезных сигналов над коммутационными помехами от ЭПС наблюдается на частотах 12.. .18 МГц и составляет около 10 дБ, что позволяет выбрать рабочую область радиочастот.

5 Характеристики гладкой помехи и полезного сигнала

5.1 Распределение амплитуд и энергетический спектр гладкой помехи

Обработка нескольких реализаций гладкой помехи фона дала следующие результаты. Установлено, что гладкая помеха представляет собой непрерывный случайный процесс с ненулевым средним значением. При

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

227

данных условиях эксперимента распределение амплитуд можно считать нормальным с математическим ожиданием гладкой помехи, равным М[Хтп] = 13,6 мВ, и среднеквадратичным отклонением агп = 6,8 мВ.

Для получения усредненного энергетического спектра, показанного на рисунке 10, использовалось следующее выражение [4]:

2

где Gn* - оценка среднего значения спектральной плотности мощности по М участкам разбиения выборки; п - номер интервала по оси частот; Af-шаг квантования по частоте; m - номер участка разбиения, начиная с нулевого; N - количество отсчетов по оси времени в каждом участке; _Уф[( / + mN)At\ - значение функции фона в дискретные значения времени; At шаг квантования по времени; D = X/^Af-At).

Рис. 10. Переменная составляющая спектральной плотности мощности детектированного сигнала гладкого фона радиопомехи при несущей частоте 14 МГц

На рисунке 10 в виде отдельных точек показаны экспериментальные значения усредненного энергетического спектра гладкой помехи фона, а также интерполирующая кривая. Интерполяция осуществлялась следующей зависимостью:

Gnn / = —7>

p + qf

где p и q - постоянные коэффициенты, полученные из эксперимента (для рассматриваемого процесса p = 2,2, q = 8330).

5.2 Энергетический спектр полезного сигнала

Для нахождения усредненного значения спектральной плотности мощности сигнала использовалось выражение [4]:

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

228

Общетехнические задачи и пути их решения

g; п-аг

i l

тТ

2-Л t

L m=x N

Nm~\

Уу у i-At exp -jlmn/D

i=0

2

где Gc* - оценка среднего no L сигналам значения спектральной плотности мощности; А/- интервал квантования по частоте; L - число реализаций сигнала; m - номер анализируемого сигнала; Nm - число отсчетов функции по оси времени для m-то сигнала; i - номер отсчета функции т-го сигнала; y(i-At) - значение функции сигнала в дискретные значения

времени; At - интервал времени квантования сигнала; D = \/{Af-At).

На рисунке 11 показаны в виде отдельных точек экспериментальные значения усредненного энергетического спектра полезного сигнала. Здесь же показана аппроксимирующая кривая, определяемая выражением

о; /

1

b + af

2 ’

где Ъ = 5,66-105; а = 0,466.

Рис. 11. Спектральная плотность мощности детектированного полезного сигнала при несущей частоте 14 МГц

6 Характеристики импульсных контактных помех

6.1 Распределение пиковых уровней

Обработке подвергались пиковые уровни контактных помех, проявляющих себя в реализации в виде одиночных или сдвоенных импульсов (см. рис. 1). Обработка данных показала, что плотность вероятности пиковых уровней сигналов может быть описана нормально-логарифмическим законом распределения и соответствует выражению (1) при замене X на уровень максимального пика контактной помехи Хкп, М[Х - на среднее значение пика помехи МХп], о - на среднеквадратичное отклонение акп.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

229

2

Вероятность принятия гипотезы по критерию Пирсона составила % = 0,37.

По данным эксперимента, = 28 дБ; окп = 2,1 дБ.

6.2 Среднее время следования импульсных контактных помех

Исследования показывают, что импульсные помехи имеют малую длительность, составляющую от десятков до сотен микросекунд. В этом случае появление короткого импульса в длительной реализации можно считать случайным событием. Поток таких событий ординарен, последовательные события можно считать независимыми и без последействия (пуассоновский поток).

В нашем случае по экспериментальной записи сигналов фиксировались случайные времена между соседними импульсами помех. Так как импульсы помех имеют случайную амплитуду, то очевидно, что их интенсивность будет зависеть от порога регистрации. Поэтому для анализа был принят самый неблагоприятный случай порогового значения, вероятность

превышения которого гладкой помехой мала, т. е. Хп =М[ХГП] + 3-агп. Определялась оценка

где K - количество участков разбиения реализации сигнала; i - номер участка разбиения (i = 1... K); Ni - количество анализируемых времен в i-м отрезке; j - время между соседними импульсами с номером j в i-м участке; j = 1. Nt.

В результате расчета получена оценка среднего времени чередования импульсов помех T срп = 0,039 с. Диапазон изменения времен между соседними импульсами составил от 0,00165 с до 0,26 с. Полученная оценка может быть использована для определения параметров потока импульсов помехи и определения помехоустойчивости системы.

Заключение

Установлен состав сигналов, принимаемых радиоприемными устройствами при дуговых нарушениях токосъема, проведена оценка и сопоставление уровней сигналов.

Определены особенности сигналов и разработана структура радиоприемной системы для регистрации и обнаружения дуговых нарушений токосъема, а также установлены диагностические признаки идентификации дуговых нарушений токосъема, основанные на пакетной организации полезных сигналов, положенные в основу алгоритма распознавания дуговых нарушений.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

230

Общетехнические задачи и пути их решения

Получено панорамное распределение уровней сигналов и коммутационных помех, позволившее определить рабочий диапазон радиочастот, где наблюдается превышение амплитуд полезных сигналов над уровнем помех.

Получены выражения (2) и (3), определяющие энергетические спектры случайных полезных сигналов и гладких помех, необходимые для определения частотных характеристик и параметров оптимальных фильтров [2], подавляющих гладкий фон, а также для определения оптимальных порогов регистрации полезного сигнала [3].

Получены статистические оценки параметров и виды распределений уровней случайных сигналов, необходимые для определения регистрирующей и обнаруживающей способности системы, для оценки ее помехоустойчивости, расчета вероятности пропуска полезного сигнала и ложных тревог, оценки эффективности использования радиометода для регистрации дуговых нарушений токосъема.

Библиографический список

1. Основы контроля дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях : монография / Ю. Г. Семенов. - М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2010. - 139 с.

2. Основы оптимальной фильтрации сигналов от дуговых нарушений токосъема автоматизированными системами контроля токосъема / Ю. Г. Семенов // Вестник РГУПС. - 2009. - № 2. - С. 113-119.

3. Оптимальные уровни принятия решений системами контроля дуговых нарушений токосъема / Ю. Г. Семенов // Вестник РГУПС. - 2009. - № 3. - С. 107-112.

4. Спектральный анализ случайных процессов / Ю. И. Грибанов, В. Л. Мальков. - М. : Энергия, 1974. - 240 с.

Статья поступила в редакцию 09.11.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным.

УДК 614.7:614.2:625.7/.8

К. Б. Фридман, Т. Е. Лим, С. Н. Шусталов, А. В. Леванчук

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ РИСКОМ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ ОТ ТРАНСПОРТНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Предложена методика оценки риска для здоровья на основе данных государственной системы социально-гигиенического мониторинга, позволяющая рассчитать вероятную степень отрицательного воздействия транспорта на здоровье населения, обосновать

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University