Измерение сопротивления изоляции рельсовых цепей

УДК 05.22.08

П. А. Михайловский

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ

Дата поступления: 05.09.2016 Решение о публикации: 16.12.2016

Цель: Получить выражения для расчета сопротивления изоляции рельсовой линии, позволяющего учесть протекание электрического тока через отдельные элементы рельсового скрепления. Методы: В данной статье были использованы эмпирические методы исследования, а именно статистический, экспериментальный и сравнение. Проведены эксперименты по различным методикам, далее выполнено сравнение полученных результатов. Для определения электрических параметров элементов изоляции рельсовых цепей проведены статистический метод, сбор информации, по результатам которой определены закон распределения и функция распределения. Результаты: Полученные значения сопротивлений изоляции сравнены с общепринятой методикой измерения изоляции прибором ИСБ, значения отличаются на 8,96 %. Следовательно, полученная эквивалентная схема параметров изоляции была выбрана верно. На результатах предложенной методики в дальнейшем необходимо определить элемент скрепления рельсовой линии dx - одна шпала и пересчитать параметры рельсовых цепей. Данная работа имеет большую практическую ценность. При пересчете параметров рельсовых цепей возникнет возможность более точно определять максимально возможную длину рельсовых цепей, при увеличении длины рельсовых цепи уменьшается их количество на участке пути и снижается соответственно количество аппаратуры. Также возможно уточнить максимально возможное значение напряжения на входе путевого приемника, при увеличении напряжения уменьшится количество сбоев рельсовых цепей, что снизит время простоя поездов и уменьшит сбои в графике движения поездов. Практическая значимость: На сети железных дорог верхнее строение пути подвергается загрязнению минеральными веществами и металлической стружкой, образуемой при шлифовке рельсов подвижным составом. В связи с этим происходит снижение сопротивления изоляции рельсовой линии и сокращается расчетная длина рельсовых цепей.

Рельсовая цепь, заземлители, контрольный режим, токи в земле, сопротивление изоляции рельсовой линии.

Pavel A. Mikhajlovsky, postgraduate student, pashoock@mail.ru (Emperor Nicholas II Moscow State Transport University) TRACK CIRCUIT INSULATION RESISTANCE TEST

Objective: Obtain expressions for calculating track circuit insulation resistance allowing for accounting in the flow of current through individual elements of rail fastening. Methods: This article employed empirical methods of research, namely statistical, experimental and comparison. Experiments were conducted based on different methods and the results obtained were compared. To determine the electrical parameters of track circuit insulation elements, the statistical method was used and information was accumulated whose results were employed to determine the distribution law and the distribution function. Results: The obtained insulation resistance results are were compared to the commonly established insulation measurement method via the ISB resistance meter device and the readings differ by 8.96 %. Therefore, the resulting equivalent circuit representation of insulation parameters was selected correctly. The results of the suggested method should further be used to determine the connecting element of the dx - single sleeper rail circuit and re-calculate the rail circuit parameters. This work is of much practical value. The recalculation of rail circuit parameters will enable a more precise determination of the maximum

possible length of rail circuits; with increased length of the rail circuits their number on a rail section is reduced, thus reducing the amount of equipment. Additionally, one can ascertain the maximum possible resistance value at the input of the track pick-up unit; with increased voltage comes a reduced chance of failure of track circuits. This will cut train downtime and eliminate schedule delays. Practical importance: On railway networks, the track superstructure is subject to pollution with inorganic substances and metal shavings created by the rolling stock buffing the rails. For that reason, the trail track insulation resistance is reduced, as is the design length of the track circuits.

Rail track circuit, grounding rods, control mode, terrestrial currents, track circuit insulation resistance.

Введение

На сети железных дорог верхнее строение пути подвергается загрязнению минеральными веществами и металлической стружкой, образуемой при шлифовке рельсов подвижным составом. В связи с этим происходит снижение сопротивления изоляции рельсовой линии и уменьшение работоспособности рельсовых цепей. Пониженное сопротивление изоляции рельсовой линии ги является неблагоприятным для контрольного режима рельсовых цепей. Ограничивающим режимом работы рельсовых цепей служит контрольный режим, способный идентифицировать излом рельсовой линии [1].

В настоящее время существует несколько патентных способов измерения сопротивления изоляции рельсовой линии. Рассмотрим их.

Способ измерения сопротивления изоляции рельсовой линии [2] заключается в том, что в рельсовую линию на одном ее конце подают сигнал переменного тока, а на другом конце рельсовой линии предварительно измеряют напряжение, ток и сдвиг его фазы не менее чем при четырех состояниях сопротивления изоляции рельсовой линии, причем два из них предельные. При холостом ходе и коротком замыкании вычисляют входные сопротивления X и X , а по ним - волновое

г хх кз7

сопротивление X, коэффициент распространения 7, и по формуле ги = Х^ рассчитывают сопротивление изоляции.

Недостатком данного способа являются значительные погрешности измерения при больших затуханиях в рельсовых линиях, что имеет место в реальных условиях.

Также возможно измерять данные значения не в конце рельсовой цепи, а на расстоянии 0,5 км, что уменьшит влияние затухания в рельсах. Недостатками данных способов является: отсутствие картины растекания тока через отдельные элементы рельсового скрепления, требование к симметричности рельсовой линии.

Существует большое количество приборов по измерению импульсного сопротивления заземляющих устройств [3]. Для рельсовых цепей тональных частот данные приборы не подходят.

Устройство [4] относится к электроэнергетике, к предпроектным изысканиям при проектировании и сооружении заземляющих устройств, в частности при вертикальном электрическом зондировании земли. Задачей изобретения является повышение точности измерения в местах с местными поверхностными включениями с удельным электрическим сопротивлением, отличным от удельного электрического сопротивления земли. В результате использования предлагаемого устройства повышается точность измерения. Достигается вышеуказанный результат тем, что измерения производятся в нескольких местах вокруг заземлителя, что повышает точность измерения.

Данный способ не подходит для измерения сопротивления балласта рельсовой линии, так как рельсы находятся в непосредственной близости друг с другом.

Одним из наиболее актуальных считается способ измерения сопротивления рельсовой линии прибором ИСБ-2 ОАО «Инжиниринг АТ». Прибор внесен в Государственный ре-

естр средств измерении, регистрационный № 43484-09.

Измеритель сопротивления балласта ИСБ-2 предназначен для измерения сопротивления балласта железнодорожных рельсовых цепей. Из-за того, что все вышеперечисленные способы не подходят для измерения сопротивления рельсовой линии, необходимо использовать прибор ИСБ-2.

Недостатком данного прибора является то, что измерение производится в расчете на один километр, при этом не рассматривается сопротивление отдельных узлов скреплений. Поэтому необходимо определить, из каких элементов состоит рельсовое скрепление при протекании электрического тока и построить электрическую схему замещения [5].

Схема рельсового скрепления

Опишем общий вид рельсошпальной решетки (рис. 1).

Рассмотрим рельсовые линии как заземляющие проводники. Расчет распространения сигнального тока в рельсовой линии производится на основании схемы замещения, в которой рассматривается стекание тока в землю с элементарного участка рельса длиной dx (одна шпала) [6]. Переходное сопротивление между заземлителем и землей определяется площадью соприкосновения и удельным сопротивлением материалов. На практике земля имеет сложную неоднородную структуру, и в результате влияния внешних эксплуатационных факторов (загрязнение мазутом, металлической стружкой, минеральными солями и т. д.) появляется верхний хорошо проводящий слой, оценить проводимость которого на практике весьма проблематично [7]. Наиболее распространенным в данный момент является скрепление типа КБ. Рассмотрим, из каких элементов оно состоит (рис. 2).

Перспективные новые рельсовые скрепления типа АРС в данный момент изучить проблематично, так как они установлены на

Балласт

Земляное полотно

Рис. 1. Общий вид рельсошпальной решетки

Рис. 2. Рельсовое скрепление типа КБ: 1, 5 - рельсы; 2-4, 6 - крепежные болты

РЖД недавно и не подверглись в полной мере влиянию погодных и эксплуатационных факторов. Электрическое сопротивление отдельных узлов скрепления находится в пределах от 5 до 20 мОм, что при расчетах можно принять за бесконечность [8].

Согласно основным требованиям к изолирующим втулкам из реактопластов для рельсовых скреплений по ТУ 32 ЦП 748-86 (введены с 1 июля 1986 г. взамен ТУ 6-051809-77) электрическое сопротивление в сухом состоянии - не менее 106 Ом, что соответствует точкам измерения 1-2, 1-3, 5-4, 5-6 на рис. 3.

Согласно ГОСТ Р 54747-2011 от 07.01.2012

электрическое сопротивление железобетонной шпалы должно быть не менее 10 кОм, что соответствует точкам измерения 2-4 на рис. 3.

Статистические данные

Первоначально производились измерения на звеносборочной базе. Сопротивление от-

дельных узлов скрепления показывает верхний предел измерения, при расчетах режимов работы рельсовых цепей ги можно принять за бесконечность. Это обусловлено тем, что новые скрепления не подверглись влияниям эксплуатационных и погодных факторов.

При измерении эксплуатационных условий было обнаружено пониженное сопротивление изоляторов, менее 10 Ом, измеренное на постоянном токе:

r < 10 Ом и r = да и

67,8 % 32,2 %

Для расчетов такие значения можно принять равными 0.

Так как изоляторы между рельсом и шпалой соединены параллельно, что было проверено экспериментально, изоляция имеет пониженное сопротивление (менее 10 Ом), если один из изоляторов имеет пониженное сопротивление. Снижение сопротивления изоляторов зависит от эксплуатационных влияний - мазут, металлическая стружка с грязью. Также следует учесть, что шпальные

Рис. 3. Электрическая схема замещения элемента dx рельсовой цепи

болты поливают маслом для уменьшения влияния коррозии. В результате чего появляется верхний, хорошо проводящий слой и распространение электрического сигала проходит по многослойной проводящей среде. Данная смазка смешивается с металлической стружкой и другими примесями, в результате чего полученная масса становится электрическим проводником.

Вероятность того, что изолятор имеет сопротивление менее 10 Ом, Р = 0,678.

Описание статистических характеристик и процесса растекания токов в земле приведено в литературе [9-12].

Рассмотрим значения сопротивления шпалы, измеряемое в точках 2-4.

При сухой теплой погоде (от +8 до +20 °С) получим

Интервал, кОм P

0-2 0,24

2-4 0,26

4-6 0,12

6-8 0,12

8-10 0,1

10-12 0,1

12-14 0,04

14-16 0,02

Построим гистограмму для данных значений (рис. 4).

Так как в рельсовой линии шпалы соединены параллельно, определим ги из расчета 1840 шпал на 1 км по формуле

F

0,30

Ги = 1840/N+ ...+ 1

'Дп1

Дш

где N - число измеренных шпал, I - номер шпалы.

Расчетное значение г = 1,25 Ом-км.

и

Далее производилось измерение ги общепринятым прибором ИСБ-2.

Измеряемое фактическое значение г = = 1,138 Ом-км. Погрешность измерений 8,96 %.

Следовательно, уточненная модель растекания тока на участке dx выбрана правильно. Погрешность появилась в результате погрешности измерительных приборов, влияния ДТМ на измерения ИСБ-2, влияния импульсных помех тягового тока.

По закону распределения по методу %2, т. е. закону Релея с доверительной вероятностью 0,23, доверительный интервал равен 0-16 кОм.

Построим функцию распределения для данных значений (рис. 5).

Заключение

Предложенная методика позволяет получить более точное значение ги чем существующие приборы и методики [2, 4, 13-15], в том числе ИСБ-2.

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

III!.

X, кОм

0-2

2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 Рис. 4. Гистограмма сопротивления шпалы

о

о

4

16

8 12 X, кОм

Рис. 5. График функции распределения случайной величины

20

Библиографический список

1. Брылеев А. М. Теория, устройство и работа рельсовых цепей / А. М. Брылеев, Ю. А. Кравцов, А. В. Шишляков. - М. : Транспорт, 1978. - 344 с.

2. Патент 2176800. МПК в01К27/16, в01К27/18. Способ измерения сопротивления изоляции рельсовой линии / Е. М. Тарасов, А. С. Белоногов (РФ). Заявитель и патентообладатель Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта, 2000128079/09, заявлено 09.11.2000, опубликовано : 10.12.2001. С1.

3. Джура Д. А. Приборы для измерения импульсного сопротивления заземляющих устройств / Д. А. Джура, В. Н. Селиванов // Труды Кольск. науч. центра РАН. - 2013. - № 4 (17). - 138 с.

4. Патент 2208232. МПК в01К27/20, в01К27/18. Способ измерения сопротивления заземлителя и устройство для его осуществления / Е. В. Халин, С. И. Коструба (РФ). Заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, 2002111835/09, заявлено 07.05.2002, опубликовано : 20.07.2003. С1.

5. Косарев А. Б. Основы электромагнитной безопасности систем электроснабжения железнодорожного транспорта / А. Б. Косарев, Б. И. Косарев. -М. : Интекст, 2008. - 480 с.

6. Косарев А. Б. Электромагнитные процессы в системах энергоснабжения железных дорог переменного тока / А. Б. Косарев, Б. И. Косарев, Д. В. Серби-ненко. - М. : ВМГ-Принт, 2015. - 349 с.

7. Бургсдорф В. В. Заземляющие устройства электроустановок / В. В. Бургсдорф, А. И. Якобс. -М. : Энергоатомиздат, 1987. - 400 с.

8. Дмитриев В. С. Совершенствование систем автоблокировки / В. С. Дмитриев, В. А. Минин. -М. : Транспорт, 1987. - 143 с.

9. Шор Я. Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности / Я. Б. Шор. - М. : Сов. радио, 1962. - 562 с.

10. Лисенков В. М. Методы анализа и синтеза рельсовых цепей (статистический подход) / В. М. Лисенков. - М. : ВИНИТИ РАН, 2014. - 202 с.

11. Марголин Н. Ф. Токи в земле / Н. Ф. Марго-лин. - М. ; Л. : Гос. энергетич. изд-во, 1947. - 100 с.

12. Матросов В. Л. Дифференциальные уравнения и уравнения с частными производными /

В. Л. Матросов, Р. М. Асланов, М. В. Топунов. -СПб. : ВЛАДОС, 2011. - 376 с.

13. Михайлов М. И. Электромагнитные влияния на сооружения связи / М. И. Михайлов, Л. Д. Разумов, С. А. Соколов. - М. : Связь, 1979. - 264 с.

14. Патент 75478. МПК G01R27/18. Устройство измерения потенциала «Рельс-Земля» на электрифицированной железной дороге с тягой на постоянном токе / А. В. Дементьев, В. А. Дементьев, Е. А. Лазарев, Л. В. Лазарева, А. В. Мятеж (РФ). Заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Электродиагност-Железнодорожник», 2008108804/22, заявлено 06.03.2008, опубликовано : 10.08.2008. U1.

15. Патент 2208804. МПК G01R27/20, G01R27/18. Устройство для вертикального электрического зондирования земли / Е. В. Халин, С. И. Коструба (РФ). Заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, 2002111835/09, заявлено 07.05.2002, опубликовано : 20.07.2003. С1.

References

1. Bryleev A. M., Kravtsov Ju. A., Shishlyakov A. V. Teoriya, ustrojstvo i rabota rel'sovykh tsepej [Theory, arrangement and operation of rail track circuits]. Moscow, Transport Publ., 1978, 344 p.

2. Tarasov E. M., Belonogov A. S. Sposob izme-reniya soprotivleniya izolyatsii rel'sovoj linii [Rail track insulation resistance measurement method]. Russian Federation Patent no. 2176800. MPK G01R27/16, G01R27/18. Patent applied for and owned by the Samara Institute of Railway Transport Engineers, 2000128079/09, submitted 09.11.2000, published: 10.12.2001.C1.

3. Dzhura D.A., Selivanov V. N. Pribory dlya izme-reniya impul'snogo soprotivleniya zazemlyajushchikh ustrojstv [Devices for measuring impulse resistance of grounding connections]. Trudy Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN [Works of the Kola RAS Research Center], 2013, no. 4

4. Khalin E. V., Kostruba S. I. Ustrojstvo dlya vertikal'nogo jelektricheskogo zondirovaniya zemli [Earth electric resistivity sounding device]. Russian

Federation Patent no. 2208804. MPK G01R27/20, G01R27/18. Patent applied for and owned by the State Research Insitution Russian National Research Institute of Agriculture Electrification, 2002111835/09, submitted 07.05.2002, published: 7/20/2003. S1.

5. Kosarev A. B., Kosarev B. I. Osnovy jelektro-magnitnoj bezopasnosti sistem jelektrosnabzheniya zheleznodorozhnogo transporta [Basics of electromagnetic safety for rail transport power supply systems]. Moscow, Intekst Publ., 2008, 480 p.

6. Kosarev A. B, Kosarev B. I., Serbinenko D. V. Jelektromagnitnye protsessy v sistemakh jenergosnab-zheniya zheleznykh dorogperemennogo toka [Electromagnetic processes in railway AC power supplies]. Moscow, VMG-Print Publ., 2015, 349 p.

7. Burgsdorf V. V., Yakobs A. I. Zazemlyajushchie ustrojstva jelektroustanovok [Electric plant grounding connections]. Moscow, Jenergoatomizdat Publ., 1987, 400 p.

8. Dmitriev V. S., Minin V. A. Sovershenstvovanie sistem avtoblokirovki [Improving of the automatic block systems]. Moscow, Transport Publ., 1987, 143 p.

9. Shor Ya. B. Statisticheskie metody analiza i kon-trolya kachestva i nadjozhnosti [Quality and stability analysis and control methods]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1962, 562 p.

10. Lisenkov V. M. Metody analiza i sinteza rel'sovykh tsepej

11. Margolin N. F. Toki v zemle [Terrestrial currents]. Moscow, Leningrad, Gosjenergoizdat, 1947, 100 p.

12. Matrosov V. L, Aslanov R. M., Topunov M. V. Differentsial'nye uravneniya i uravneniya s chastnymi proizvodnymi [Differential equations and partial differential equations]. Moscow, Vlados Publ., 2011, 376 p.

13. Mikhajlov M. I, Razumov L. D., Sokolov S. A. Jelektromagnitnye vliyaniya na sooruzheniya svyazi [Electromagnetic impact on communication facilities]. Moscow, Svyaz' Publ., 1979, 264 p.

14. Dement'ev A. V., Dement'ev V.A., Laza-rev E. A., Lazareva L. V., Myatezh A. V. Ustrojst-vo izmereniyapotentsiala "Rel's-Zemlya" na jelek-trifitsirovannoj zheleznoj doroge s tyagoj na postoy-annom toke [Potential measurement device "Rail-Earth" on an electrified railway with direct current traction]. Russian Federation Patent no. 75478. MPKG01R27/18. Patent applied for and owned by Jelektrodiagnost-Zheleznodorozhnik Limited Liability Company, 2008108804/22, submitted 06.03.2008, published: 8/10/2008. U1.

15. Khalin E. V., Kostruba S. I. Sposob izmereniya soprotivleniya zazemlitelya i ustrojstvo dlya ego osushchestvleniya [Grounding resistance measurement method and device]. Russian Federation Patent no. MPK G01R27/20, G01R27/18. Patent applied for and owned by the State Research Insitution Russian National Research Institute of Agriculture Electrification, 2002111835/09, submitted 07.05.2002, published: 20.07.2003.C1.

МИХАЙЛОВСКИЙ Павел Андреевич - аспирант, разИооск (Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II).