УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ ТЯГОВОЙ СЕТИ
DIAGNOSING UNIT FOR ELECTRIC-TRACTION NETWORK

Устройство относится к области электротранспорта и может быть использовано для диагностирования состояния и измерения сопротивления электрических потерь в элементах тяговой сети. Эти потери вызваны внутренним сопротивлением питающей тяговой подстанции, сопротивлением кабелей, подводящих электроэнергию от подстанции к контактной сети и рельсам, как, например, в трамвайной сети, а также потери в проводах контактной сети и самих рельсах.
Известная система диагностирования состояния тяговой подстанции описана в книге «Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса», авторы Загайнов Н.А., Финкельштейн Б.С., М.: Транспорт, 1978 г. на стр.247…249. Тяговая подстанция содержит выпрямительные агрегаты, которые через измерители тока соединены кабелями с положительной и отрицательной шинами. Шины через амперметры и положительные и отрицательные кабели соединены соответственно с контактными проводами положительных и отрицательных потенциалов для троллейбусов и контактным проводом положительной полярности и рельсом для трамваев.
В составе подстанции имеются диагностические приборы (см. рис. 206 на стр.247 в приведенной выше книге), например кабельные сигнализаторы, приборы обнаружения короткого замыкания в тяговых сетях, амперметры.
Но эти приборы не позволяют измерять и сравнивать с допустимыми сопротивления потерь в подводящих кабелях, контактных проводах и рельсах, а эти потери составляют до 20% мощности (см. стр.11 упомянутой выше книги).
Известны способ и система для контроля и регулирования мощности, расходуемой транспортной системой, из описания к патенту №2314215, МПК BL60 L/00, приоритет от 29.04.2003 г.
В этой системе для управления тяговым двигателем транспортного средства используются данные, измеренные на питающей подстанции и преданные по линии связи на транспортное средство.
Однако эта система не позволяет диагностировать (измерить) параметры силовых цепей, которые могут оказаться не в норме и приводить к возрастанию потерь энергии сверх допустимых.
Известна также «Система диагностики тяговой сети СДТС-1», содержащая процессор, датчик тока, преобразователь интерфейса, источник питания. Система демонстрировалась на выставке «ЭлектроТранс 2013» 22…24 мая на ВВЦ, Москва, научно-производственным предприятием «Энергия» (см. каталог упомянутой выставки, а также сайт www.npp-energy.ru,). Система выбрана в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности измерять сопротивление потерь электроэнергии, подводимой к двигателям электротранспорта через элементы тяговой сети на различных ее участках. Задачей заявленного изобретения является создание устройства, позволяющего определять (диагностировать) сопротивления потерь электрической энергии в тяговой сети и в отдельных элементах, таких как контактные провода и рельсы, силовые кабели, подводящие энергию от тяговой подстанции к контактным проводам и рельсам, и силовые агрегаты подстанции.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное устройство диагностики тяговой сети постоянного тока содержит измерители тока и напряжения, процессор с дисплеем, первый и второй двунаправленные выводы процессора соединены с дисплеем и преобразователем интерфейса, который двунаправленной шиной подключен к внешнему компьютеру, устройство содержит также блок питания, выходы которого соединены с входами питания элементов устройства, делитель, соединенный по первому входу с отрицательной шиной тяговой сети, а по выходу - с входом устройства диагностики. Заявленное устройство отличается тем, что выполнено в виде первого блока диагностики, устанавливаемого на тяговой подстанции, и второго - устанавливаемого на борту электротранспорта, например трамвая, причем в первый блок введены измеритель потенциалов положительной и отрицательной шин тяговой подстанции и первый модем. При этом первый, второй и третий входы измерителя потенциалов соединены соответственно с землей, положительной шиной подстанции и первым входом измерителя тока положительной шины, отрицательной шиной и вторым входом измерителя тока отрицательной шины. Выход измерителя потенциалов соединен с первым входом первого модема, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами измерителей тока отрицательной и положительной шин. Первый и второй выходы модема соединены соответственно с положительной и отрицательной шинами. Во второй блок диагностики введены второй модем, модулятор, резистор градуировки с подсоединенным параллельно выключателем, стабилитрон, измеритель сопротивления, измеритель потенциалов контактного провода и рельса, измерители тока нагрузки и тока модулятора, навигатор, блок питания, выходы которого соединены с входами питания элементов второго блока. Третий, четвертый и пятый двунаправленные выводы процессора соединены соответственно с выходами навигатора, второго модема и измерителя потенциалов, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с шинами заземления, с первым входом второго модема и через пантограф с контактным проводом тяговой сети и с общей шиной, соединенной через проводящее колесо с рельсом. С общей шиной соединены второй вход второго модема, второй вход модулятора, второй вход измерителя тока модулятора, четвертый вход процессора, выход блока питания и шестой вход измерителя сопротивлений. Первый, второй, третий, четвертый и пятый входы измерителя сопротивлений соединены соответственно с выходом делителя, вторым, третьим и четвертым выходами процессора и выходом измерителя тока модулятора. Первый вход измерителя тока модулятора соединен со вторым выходом модулятора, первый выход которого соединен со вторым выводом резистора градуировки и катодом стабилитрона. Анод стабилитрона соединен с входом делителя, первый же вывод резистора градуировки соединен с элементом нагрузки и вторым входом измерителя тока нагрузки. Выход измерителя тока нагрузки подключен к третьему входу процессора, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами измерителя сопротивлений. Первый выход процессора соединен с первым входом модулятора.
Для снижения погрешности измерения сопротивления потерь измеритель содержит первый, второй и третий элементы выборки-запоминания, вычитающий операционный усилитель (ОУ), первый и второй сглаживающие фильтры, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), например, двойного интегрирования. Первый вход измерителя соединен с информационными входами запоминания первого и второго элементов выборки-запоминания, а второй, третий и пятый входы измерителя соединены соответственно с входами выборки второго и третьего элементов, с входом выборки первого элемента и с информационным входом запоминания третьего элемента выборки-запоминания. Выходы первого, второго и третьего элементов соединены соответственно с прямым и инверсным входами ОУ и с входом первого фильтра, выход же ОУ соединен с входом второго фильтра. Выходы первого и второго фильтров соединены с опорным и сигнальным входами АЦП, вход управления которого соединен с четвертым входом измерителя, а первый и второй выходы АЦП подключены соответственно к первому и второму выходам измерителя.
Погрешность измерения сопротивления потерь уменьшается за счет того, что модулятор содержит резистор, ключ, драйвер. Первый и второй входы драйвера соединены соответственно с первым и вторым входами модулятора. Первый выход модулятора через последовательно соединенные резистор и ключ соединен со вторым выходом модулятора, а управляющий вход ключа подключен к выходу драйвера.
Прилагаются графические материалы. На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 изображена схема измерителя сопротивлений. На фиг.3 представлены эпюры сигналов в различных точках схемы устройства. На фиг.4 показана эквивалентная схема тяговой сети. На фиг.5 показаны нагрузочные характеристики тяговой сети. На фиг.6 приведена блок-схема алгоритма определения суммарного сопротивления потерь тяговой сети в выбранной точке.
Описание устройства рассмотрим на примере его использования в тяговой сети трамвая.
Диагностируемая тяговая сеть (фиг.1) содержит выпрямительный агрегат 1, положительная 2 и отрицательная 3 выходные шины которого через измерители тока 4 и 5 соединены посредством силовых кабелей 6 и 7 соответственно с проводом 8 контактной сети (положительное напряжение) и рельсом 9 (отрицательное напряжение).
Предлагаемое устройство диагностики содержит на тяговой подстанции: измеритель потенциалов 10 положительной 2 и отрицательной 3 шин, первый модем 11, источник питания 12, выходы которого соединены со входами питания элементов 10, 11.
Измеритель 10 потенциалов по первому, второму и третьему входам соединен соответственно с землей, положительной шиной 2, отрицательной шиной 3, а его выход соединен с первым входом первого модема 11. Второй, третий входы модема соединены соответственно с выходами измерителей 5 и 4 тока. Первый и второй выходы модема 11 соединены соответственно с положительной шиной 2 и отрицательной шиной 3.
Второй блок 14 диагностики размещен на трамвае. На фиг.1 показаны элементы трамвая: проводящее колесо 15, пантограф (токосъемник) 16, предназначенный для передачи электроэнергии с контактного провода 8 на борт трамвая. Контактный провод разделен на секции с помощью секционных изоляторов 17.
Второй блок 14 содержит процессор 18, соединенный двусторонними линиями связи через первый, второй, третий, четвертый и пятый выводы соответственно с дисплеем 19, преобразователем интерфейса 20, навигатором 21, вторым модемом 22 и измерителем 23 потенциалов. По входам: первому, второму, третьему и четвертому процессор 18 соединен соответственно с первым и вторым выходами измерителя 24 сопротивлений, измерителем 25 тока нагрузки и общим проводом 26.
Общий провод 26 электрически соединен с выводом блока питания 27, с рельсом 9 через колесо 15 трамвая. Первый, второй, третий и четвертый выходы процессора 18 соединены соответственно с первым входом модулятора 28, вторым, третьим и четвертым входами измерителя 24 сопротивлений, первый, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с выходом делителя 29, выходом измерителя 30 тока модуляции и общей шиной 26. Входы первый, второй и третий измерителя 23 потенциалов соединены соответственно с землей (шиной заземления) 13, первыми входами второго модема 22 и измерителя 25 тока нагрузки и пантографом 16, а также общей шиной 26. Второй вход модема 22 соединен с общей шиной.
Второй вход измерителя 25 тока нагрузки соединен с нагрузкой 31 и первым выводом резистора 32 градуировки, параллельно резистору 32 подсоединен выключатель 33. Второй вывод резистора 32 соединен с первым выходом модулятора 28, а также через стабилитрон 34 -  с первым входом делителя 29, второй его вход соединен с общей шиной.
Второй выход модулятора 28 и второй его вход соединены соответственно с первым и вторым входами измерителя 30 тока модуляции. Второй вход измерителя 30 тока соединен также с общей шиной 26.
Модулятор 28 содержит резистор 35, ключ 36, например, в виде IGBT транзистора и драйвер 37, который по первому входу управления подключен к первому входу модулятора, а по второму входу  - ко второму входу модулятора, а по выходу - к управляющему электроду ключа 36. Сток транзистора (ключа) через резистор 35 нагрузки соединен с первым выходом модулятора 28, а исток объединен с подложкой и через второй выход модулятора соединен с первым входом измерителя 30 тока модуляции.
Преобразователь 20 интерфейса соединен двусторонней линией связи с внешним компьютером 38.
6
3
6
Блок 27 питания элементов устройства представляет собой преобразователь постоянного входного напряжения 24 В бортовой сети в постоянное выходное напряжение, необходимое для работы блока 14 диагностики. Например, выходные источники напряжения U=+5 B, U=-5 В, относительно общей шины 26, U=+5 B относительно шины 13 заземления для питания измерителя 23 потенциалов.
Измеритель 24 сопротивления (фиг.2) содержит первый 39, второй 40 и третий 41 элементы выборки-запоминания. При изготовлении и испытании опытного образца блока 14 диагностики использованы элементы выборки-запоминания типа LF-398, фирмы National, описанные в книге П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир-Бином, 2010, стр.233…235.
В состав измерителя также входят вычитающий операционный усилитель (ОУ) 42, резистивно-емкостные сглаживающие фильтры 43, 44 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 45 двойного интегрирования. В опытном образце использован ОУ типа LM324 по схеме, приведенной на рис.4.18, стр.191 в упомянутой выше книге. А в качестве АЦП 45 применена микросхема типа КР572ПВ2 (такой АЦП описан в книге Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП. М.: Энергоиздат, 1990 г., стр.118…242).
Код N на выходе такого АЦП определяется формулой (стр.231):
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>R</mi><mi>E</mi><mi>F</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
вх
U - входной сигнал, подаваемый на сигнальный вход;
REF
U - опорное напряжение, прикладываемое на вход опорного напряжения.
В блоке 24 первый, второй, третий, четвертый и пятый входы блока соединены соответственно с входами запоминания элементов 39, 40; с входами выборки элементов 40, 41; с входом выборки элемента 39, с входом управления АЦП 45; входом записи элемента 41. Выходы элементов 39, 40, 41 соединены соответственно с прямым входом ОУ 42, инверсным входом ОУ 42 и входом фильтра 44. Выход ОУ 42 соединен с входом фильтра 43, выходы фильтров 43, 44 соединены соответственно с сигнальным и опорным входами АЦП 45, первый и второй выходы АЦП 45 соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 24.
Работает устройство следующим образом. Пусть вагон-лаборатория с устройством диагностики (фиг.1) остановился в точке 46 контактной сети, ей соответствует точка 46' на рельсовой сети.
На контактной сети обозначена точка 47 присоединения кабеля 6, идущего от тяговой подстанции к контактному проводу 8. На подстанции расположен первый блок 48 диагностики. Точка 49 является местом присоединения кабеля 7, соединяющего подстанцию с рельсовой сетью 9.
На вход блока питания 27 подали напряжение = 24 В. На его выходах и на входах питания элементов устройства появилось напряжение.
кс
кс
кс1
кс2
С вых.1 процессора 18 на первый вход модулятора 28 поступают положительные импульсы 50 (фиг.3), которые открывают положительными уровнями ключ 36. Через нагрузку 35 (выключатель 33 нормально замкнут и размыкается только во время режима градуировки) протекает импульсный ток ΔI (фиг.3, 51), который измеряется с помощью измерителя тока 30 модуляции, измеритель может быть выполнен в виде шунта с усилителем. Выбран режим импульсной модуляции с достаточно большой скважностью, в экспериментах около 20, для того, чтобы уменьшить нагрев резистора 35 нагрузки. Во время протекания импульсного тока модуляции напряжение U контактной сети, которое снимается с общей точки соединения второго вывода резистора 32 и первого выхода модулятора 28, падает на ступеньку ΔU=U-U (фиг.3, 52).
кс
Напряжение U через стабилитрон 34 и делитель 29 снижается до величины, безопасной для первого входа измерителя 24 сопротивления, поступает через первый вход измерителя 24 на входы запоминания элементов 39, 40 выборки-запоминания.
кс
кс1
кс2
кс1
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mn>5</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>150</mn><mo>…</mo><mn>110</mn></mrow>
Стабилитрон 34 в предлагаемом включении позволяет уменьшить ослабление модулированной части напряжения контактной сети. Поясним на примере. В реальной схеме разность ΔU=U-U на втором выводе резистора 32 составляет от десятых долей до 20 В, U=750…550 В. Если принять безопасным напряжение 5 В на первом входе измерителя 24, то если бы вместо стабилитрона 34 стояла перемычка, делитель должен ослабить сигнал в
раз, в т.ч. и ослабить также сигнал ΔU.
ст
кс1
ст
<mrow><mfrac><mrow><mn>250</mn><mo>…</mo><mn>50</mn></mrow><mn>5</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>50</mn><mo>…</mo><mn>10</mn></mrow>
Пусть стабилитрон имеет напряжение U стабилизации 500 В, тогда (фиг.3, 52) на вход делителя будет поступать только обрезанное напряжение U-U, т.е. 250…50 В, и чтобы оставить те же безопасные 5 В на входе 1 блока 24, потребуется ослабление сигнала в
раз. Таким образом, стабилитрон позволяет поднять полезный сигнал на входе примерно в 3 раза.
1
кс2
2
кс2
Через пятый вход измерителя 24 и далее на вход запоминания элемента 41 поступает импульс 51 тока модуляции. Во время присутствия положительных импульсов 53, 54 на втором и третьем входах соответственно измерителя 24 и далее на входах выборки элементов 40, 41, 39 происходит запись в аналоговую память элементов в интервалы времени Δt значений напряжений, соответствующих напряжению U нижней полочки модулированного сигнала в элемент 40; одновременно в элемент 41 записывается напряжение U(ΔI), пропорциональное току ΔI модуляции. В интервалы времени Δt в элемент 39 записывается напряжение U, соответствующее верхней полочке модулированного напряжения контактной сети.
кс2
кс1
На выходах элементов 39, 40, 41 записанные значения напряжений сохраняются до следующего импульса выборки. Таким образом, на выходах элементов выборки-запоминания присутствуют медленно меняющиеся напряжения, соответствующие U, U, U(ΔI).
кс
кс1
кс2
На выходе ОУ 42 напряжение пропорционально разности ΔU=U-U (фиг.3, 55), а на выходе элемента 41 (фиг.3, 56) напряжение U(ΔI) пропорционально току ΔI модуляции.
Далее сигналы через сглаживающие фильтры 43, 44 поступают на сигнальный и опорный входы АЦП 45, где преобразуются в код в соответствии с формулой (1), с периодом Т (фиг.3, 57), поступает на вх. 2 процессора 18.
1
i
6
47-46
46'-49
7
На фиг.4 показано направление протекания тока I от выпрямительного агрегата 1 с собственным сопротивлением R через кабель R до точки 47 присоединения к проводу 8 контактной сети. Далее ток течет по участку 47-46 контактной сети с сопротивлением R, через нагрузку 31, сопротивление которой неизвестно, через общую шину 26, через колесо в точку 46', по участку 46'-49 рельса 9 с сопротивлением R; далее через кабель 7 с сопротивлением R к выпрямительному агрегату 1.
1
При включении резистора 35 модулятора к току I добавляется приращение ΔI - ток через модулятор. Обозначим
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>31</mn></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>I</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>31</mn></mrow></msub><mrow><mo>‖</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>35</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>46</mn><mo>−</mo><mn>47</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>46</mn><mo>'</mo><mo>−</mo><mn>47</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
31
35
где R||R - сопротивление включенных параллельно резисторов 31 и 35.
Обходя замкнутые контуры при включенном и отключенном резисторе 35, по закону Кирхгофа составим 2 уравнения:
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>I</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
iΣ
Приравниваем правые части (5), (6) и решим относительно R. Получим:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>U</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
iΣ
iΣ
Сравнивая (1) и (7), можно сделать вывод, что код на выходе измерителя 24 пропорционален суммарному сопротивлению R потерь в тяговой сети, подводящей электроэнергию к двигателю и другим потребителям (освещение, вентиляция, отопление) на борту транспортного средства. На фиг.6 представлен алгоритм вычисления R.
iΣ
iΣ
R можно назвать интегральным диагностическим параметром. Можно измерять R в различных точках на участках питания от одной тяговой подстанции (ТПС) между секционными изоляторами, привязывать эти точки к географическим координатам, измерять расстояния между ними с помощью навигатора 21, фиксировать время измерения и передавать результаты через преобразователь 20 интерфейса во внешний компьютер 38 для пользователя. Для текущего наблюдения используется дисплей 19 устройства, который может отображать не только информацию о текущих наблюдениях, но и отображать результаты с номинальными значениями параметра, а также результаты предыдущих наблюдений, хранящихся в памяти процессора. Содержимое памяти через информационный канал связи с внешним компьютером может оперативно изменяться в зависимости от потребностей пользователя.
iΣ
кс
рс
iΣ
кс
рс
iΣ
iΣ
Если сравнивать результаты измерения R в двух точках, ограничивающий отрезок тяговой сети, внутри которого отсутствуют точки присоединения кабеля питания контактной сети и кабеля, подключаемого к рельсам, то из (4) видно, что они будут различаться только суммой (R+R) сопротивлений контактной и рельсовой сети. Тогда можно вычислить разность сопротивлений R в этих точках и разделить на расстояние между точками, измеренное навигатором, и получить удельное сопротивление r+r суммарных потерь в контактной сети и рельсах. По удельному сопротивлению потерь можно сравнивать различные участки тяговой сети между собой по качеству. На практике, как правило, точки 47 и 49 находятся в непосредственной близости. Поэтому, если измерить R в точке 47 присоединения кабеля 6 к контактному проводу и кабеля 7 к рельсу в точке 49, то из (4) можно видеть, что R будет содержать сопротивления потерь только в агрегате ТПС плюс в кабелях.
i
Далее, находясь в описанном выше месте тяговой сети, можно воспользоваться результатами измерения потенциалов с помощью блоков 10 на ТПС и 23 в вагоне-лаборатории для вычисления сопротивления кабелей 6 и 7. Для этого по каналу связи, образованному с помощью модемов 11 и 22 методом наложения на электрические цепи тяговой сети, осуществляется передача-прием результатов измерения потенциалов шин 2 и 3 относительно земли (более подробно работа модемов описана в журнале «Новости электроники №13, 2009 г., стр.21…24, либо на сайте www.angstrem.ru описана микросхема КР1446ХК1, которую авторы применяли в качестве модемов в опытном образце устройства). Если синхронно во времени измерять относительно земли потенциал в точках 2 и 47, а также 3 и 49, а также принимать информацию об измеряемых с помощью измерителей 4 и 5 токах, протекающих по кабелям 6 и 7, можно вычислить падение напряжения на кабеле и, поделив его на протекающий ток, вычислить с помощью процессора 18 значение сопротивления кабеля. При этом сопротивление потерь R в агрегате 1 находится по формуле:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo><mn>47</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
iΣ47
где R - сопротивление потерь, измеренное в точке 47.
у
Устройство позволяет также измерять ток I утечки с контактной сети на землю (фиг.4) через элемент 58 нарушенной изоляции и сопротивление 59 между рельсом 9 и землей.
6
25
При отсутствии токов утечки с проводов контактной сети на землю ток I через кабель 6 и ток I на выходе измерителя 25, измеряемые в одно и то же время, равны.
6
25
При наличии утечки I больше I.
6
25
Утечку фиксирует процессор 18, получая значения I от измерителя 4 через модемы 11 и 22, а значение I от измерителя тока 25 по третьему входу.
iΣ
При изготовлении и использовании устройства имеет место проблема его градуировки и поверки. Для этих целей применен резистор 32. Во время работы резистор зашунтирован нормально замкнутым выключателем 33, имеющим малое сопротивление, по крайней мере, не более 1…3 мОм. Это связано с тем, что реальные значения сопротивлений потерь лежат в диапазоне R=0,01…0,2 Ом (это подтвердили эксперименты, проведенные авторами). Поэтому замкнутый выключатель при соблюдении указанного выше условия не будет вносить существенных погрешностей в результаты измерения.
Из схемы (фиг.4) видно, что измерительная цепь является линейной за исключением выпрямительного агрегата 1, но последний работает при больших токах, т.е. на линейном участке. На фиг.5А показана нагрузочная характеристика тяговой сети, например, в точке 46, 46'. Линия А изображает нагрузочную характеристику при замкнутом выключателе 33, линия Б - при разомкнутом.
кс1А
кс2А
HA
HA
A
Для линии А в общей точке соединения резисторов 32, 35 наблюдается напряжение U при выключенном ключе 36 и напряжение U - при включенном, соответственно, измеритель 25 тока нагрузки фиксирует токи I и I+ΔI.
кс1Б
кс2Б
НБ
НБ
Б
Для линии Б в этой же точке имеем напряжение U и U для разомкнутого и замкнутого состояний ключа 36 и токи I и I+ΔI.
При этом:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mi>A</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>1</mn><mi>А</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>2</mn><mi>А</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mi>Б</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>1</mn><mi>Б</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>2</mn><mi>Б</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo><mi>А</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mi>А</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>А</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Рассмотрим процесс калибровки. Для линии А при работе модулятора с помощью измерителя 24 измеряем
при замкнутом ключе 33.
32
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo><mi>Б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mi>Б</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>Б</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Затем ключ размыкаем. В тяговую цепь добавляется резистор 32 с известным сопротивлением R. Наклон нагрузочной характеристики изменится. Она будет иметь вид Б. При этом
.
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo><mi>Б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>∑</mo><mi>A</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>32</mn></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
iΣБ
iΣA
32
iΣA
Если R>R+R, необходимо увеличить R, например, путем увеличения коэффициента усиления ОУ 42 или уменьшения коэффициента передачи элемента 41.
iΣБ
iΣA
32
Если R<R+R, коэффициенты уменьшают для ОУ 42 или увеличивают для элемента 41.
Калибровку и поверку других измерительных блоков: 4, 5, 10, 23, 25, 30 выполняют по стандартным процедурам для амперметров и вольтметров.