УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ СТЫКОВ ПРИ ЭЛЕКТРОТЯГЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR MONITORING THE STATE OF INSULATING JOINTS WITH AC ELECTRIC CURRENT

Область техники
Изобретение относится к железнодорожной автоматике и телемеханике и может быть использовано при техническом обслуживании рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации.
Уровень техники
При ухудшении состояния электропроводящих и изолирующих элементов рельсовых линий ухудшается устойчивость работы аппаратуры рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации из-за неодинакового увеличения продольного и уменьшения поперечного сопротивлений рельсовых нитей, в результате чего повышается мешающее действие тягового тока. Поэтому при выяснении причин неустойчивой работы рассматриваемой аппаратуры важна информация о состоянии электропродящих и электроизолирующих элементов рельсовых нитей. Интенсивность сбоев в работе данной аппаратуры от мешающего действия переменного тягового тока в несколько раз больше, чем от действия постоянного тягового тока [1].
Изолирующие стыки относятся к одному из наименее надежных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики [2]. Симметричное ухудшение состояния изолирующих стыков, разделяющих рельсовые цепи, усиливает кондуктивную связь между смежными рельсовыми цепями. В конечном итоге это приводит к появлению ложной занятости свободной рельсовой цепи при шунтировании смежной рельсовой цепи колесными парами подвижного состава, занимающего ее, а короткое замыкание изолирующих стыков приводит к ложной занятости двух смежных рельсовых цепей.
Измерение сопротивления изолирующих стыков каким-либо омметром невозможно потому, что они закорочены небольшими по величине сопротивлениями рельсовых нитей по отношению к земле, а многочисленность электроизолирующих и электропроводящих элементов в рельсовых нитях затрудняют контроль состояния рельсовых линий. Поэтому актуальна разработка устройств, обеспечивающих контроль состояния изолирующих стыков и рельсовых нитей. При этом перспективным является контроль состояния изолирующего стыка косвенным способом - по относительной величине тягового тока, протекающего через него.
Появление ложной занятости рельсовой цепи или увеличение интенсивности сбоев в работе рассматриваемой аппаратуры может вызываться рядом причин. Заключение о том, что ухудшение состояния именно изолирующих стыков привело к этому, является непростой задачей и часто занимает достаточно долгое время. Восстановление работоспособности отказавшего изолирующего стыка трудоемко и занимает тоже относительно много времени. Поэтому ложная занятость рельсовых цепей или/и увеличение интенсивности сбоев в работе аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики при ухудшении состояния изолирующих стыков оказывает заметное влияние на бесперебойность движения поездов.
Ответвление переменного тягового тока в цепь через изолирующий стык с пониженным сопротивлением вызывает появление дополнительной асимметрии тягового тока в рельсовой линии и в основных обмотках дроссель-трансформаторов. Эта асимметрия создает помехи от тягового тока на работу подключаемой к дроссель-трансформаторам аппаратуры рельсовых цепей, а также увеличивает асимметрию сопротивлений рельсовых нитей, разделяемых таким изолирующим стыком. В результате растут помехи от тягового тока на приемники рельсовых цепей и локомотивные приемники автоматической локомотивной сигнализации [1]. Поэтому с точки зрения мешающего влияния переменного тягового тока на работу аппаратуры рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации необходим также контроль асимметрии тягового тока, создаваемой изолирующими стыками с пониженным сопротивлением.
Для технического персонала, обслуживающего рельсовые цепи, важно знать не количественное значение сопротивления изолирующего стыка, продольного и поперечного сопротивления рельсовых нитей, а того, насколько эти элементы близки к предельно допускаемому состоянию, как они повлияли на величину асимметрии тягового тока в рассматриваемом конце рельсовой цепи.
Известно устройство для контроля состояния изолирующих стыков в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока [3]. В устройстве использован метод амперметра и вольтметра для контроля и/или определения величины сопротивления изолирующих стыков по результатам измерений величины переменного тягового тока через изолирующий стык и падения напряжения на нем. Недостатком устройства является необходимость бесконтактного измерения величины тока, протекающего по рельсу.
Известно устройство для измерения сопротивления изолирующих стыков в рельсовых цепях при электротяге, содержащее два делителя напряжений, сумматор и блок сигнализации, обеспечивающее получение требуемой информации в любых рельсовых цепях [4]. Однако это устройство имеет относительно сложную схему из-за необходимости использования специального генератора для выработки испытательного сигнала, а также дополнительного канала измерения, обеспечивающего отстройку от токов испытательного сигнала, уходящего в рельсовую нить.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства контроля.
Цель достигается тем, что оно дополнительно снабжено четырьмя выпрямителями, четырьмя усилителями с регулируемым коэффициентом усиления, сумматором, вычитателем, шестью блоками сигнализации, семью пороговыми элементами и пятью контактами для подключения устройства к рельсовой линии, причем первый и второй из которых подключаются к участку рельса длиной от первого изолирующего стыка до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки и соединяются с входом первого выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом к первым входам первого сумматора и первого делителя напряжения; третий и четвертый контакты подключаются к участку рельса длиной от второго изолирующего стыка до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки и соединяются с входом второго выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом к первым входам второго делителя напряжения и второго сумматора; пятый и шестой контакты подключаются к одной секции основной обмотки дроссель-трансформатора и соединяются с входом третьего выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом третьего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом ко второму входу первого сумматора, соединенного своим выходом с первым входом вычитателя и со вторыми входом первого делителя напряжения, выход которого соединен первым и вторым пороговыми элементами с первым и вторым блоками сигнализации; шестой и седьмой контакты подключаются к другой секции основной обмотки дроссель-трансформатора и соединяются с входом четвертого выпрямительного элемента, соединенного с входом четвертого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора, соединенного своим выходом со вторыми входами вычитателя и второго делителя напряжения, выход которого соединен третьим и четвертым пороговыми элементами с третьим и четвертым блоками сигнализации; выход вычитателя подключен к пятому, шестому и седьмому пороговым элементам, соединенными соответственно с пятым, шестым и седьмым блоками сигнализации, причем шестой пороговый элемент реагирует на сигнал положительной полярности, а седьмой пороговый элемент реагирует на сигнал отрицательной полярности.
Краткое описание чертежа
Сущность предлагаемого устройства поясняется на Блок-схеме устройства (Фиг. 1), где:
поз. 1 - изолирующий стык;
поз. 2 - изолирующий стык;
поз. 3 - рельсовая нить;
поз. 4 - рельсовая нить;
поз. 5 - рельсовая нить;
поз. 6 - рельсовая нить;
поз. 7 - первая секция основной обмотки дроссель-трансформатора;
поз. 8 - вторая секция основной обмотки дроссель-трансформатора;
поз. 9 - контакт; поз. 10 - контакт;
поз. 11 - выпрямительное устройство;
поз. 12-усилитель;
поз. 13 - сумматор;
поз. 14 - делитель напряжения;
поз. 15 - контакт;
поз. 16 - контакт;
поз. 17 - выпрямительное устройство;
поз. 18 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;
поз. 19-сумматор 19;
поз. 20 - делитель напряжения;
поз. 21 - контакт;
поз. 22 - контакт;
поз. 23 - выпрямительное устройство;
поз. 24 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;
поз. 25 - вычитатель;
поз. 26 - пороговый элемент;
поз. 27 - блок сигнализации;
поз. 28 - пороговый элемент;
поз. 29 - блок сигнализации;
поз. 30 - контакт;
поз. 31 - выпрямительное устройство;
поз. 32 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;
поз. 33 - пороговый элемент;
поз. 34 - блок сигнализации;
поз. 35 - пороговый элемент;
поз. 36 - блок сигнализации;
поз. 37 - пороговый элемент;
поз. 38 - пороговый элемент;
поз. 39 - пороговый элемент;
поз. 40 - блок сигнализации;
поз. 41 - блок сигнализации;
поз. 42 - блок сигнализации.
Осуществление изобретения
рн1
дт1
ис1
рн2
дт2
ис2
Изолирующие стыки 1 и 2 разделяют соответственно рельсовую нить 3 с рельсовой нитью 4 и рельсовую нить 5 с рельсовой нитью 6. Тяговый ток i в рельсовой нити 3 возле изолирующего стыка 1 разделяется на ток iчерез одну секцию 7 основной обмотки дроссель-трансформатора и на ток i через изолирующий стык 1. Тяговый ток i второй рельсовой нити 5 возле изолирующего стыка 2 разделяется на ток i через другую секцию 8 основной обмотки дроссель-трансформатора и ток i через изолирующий стык 2.
Падение напряжения  на участке рельса  от изолирующего стыка 1 до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки снимается контактами 9, 10 и подается на вход выпрямительного устройства 11, подключенного своим выходом к входу усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления. Выход усилителя 12 соединен с первыми входами сумматора 13 и делителя напряжения 14.
Падение напряжения  на участке рельса длиной  от изолирующего стыка 2 до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки снимается контактами 15, 16 и подается на вход выпрямительного устройства 17, подключенного своим выходом к входу усилителя 18 с регулируемым коэффициентом усиления. Выход усилителя 18 соединен со первыми входами сумматора 19 и делителя напряжения 20.
Падение напряжения  на секции 7 основной обмотки дроссель-трансформатора снимается контактами 21, 22 и подается на вход выпрямительного устройства 23, подключенного своим выходом к входу усилителя 24 с регулируемым коэффициентом усиления. Выход усилителя 24 соединен со вторым входом сумматора 13, выход которого подключен к первому входу вычитателя 25 и ко второму входу делителя напряжения 14, сигнал с выхода которого через пороговый элемент 26 подается на блок сигнализации 27, а через пороговый элемент 28 подается на блок сигнализации 29.
Падение напряжения  на другой секции 8 основной обмотки дроссель-трансформатора снимается контактами 22, 30 и подается на вход выпрямительного устройства 31, подключенного своим выходом к входу усилителя 32 с регулируемым коэффициентом усиления. Выход усилителя 32 соединен со вторым входом сумматора 19, выход которого подключен ко вторым входам вычитателя 25 и делителя напряжения 20, сигнал с выхода которого через пороговый элемент 33 подается на блок сигнализации 34, а через пороговый элемент 35 подается на блок сигнализации 36.
Выходной сигнал вычитателя 25 через пороговые элементы 37, 38 и 39 поступает на входы блоков сигнализации, соответственно, 40, 41 и 42. Особенностями пороговых элементов 38 и 39 является то, что пороговый элемент 38 реагирует на величину сигнала положительной полярности, а пороговый элемент 39 реагирует на величину сигнала отрицательной полярности.
Блоки сигнализации 27 и 29 дают визуальную информацию соответственно о предотказном состоянии или при отказе изолирующего стыка 1, а блоки сигнализации 34 и 36 дают визуальную информацию соответственно о предотказном состоянии или при отказе изолирующего стыка 2.
Блок сигнализации 40 дает визуальную информацию о превышении величиной асимметрии тягового тока на этом конце рельсовой цепи допускаемого значения. Блок сигнализации 41 срабатывает, когда ток в рельсовой нити 3 становится больше тягового тока в рельсовой нити 5. Блок сигнализации 42 срабатывает, когда тяговый ток в рельсовой нити 5 становится больше тягового тока в рельсовой нити 3.
Устройство работает следующим образом.
При подключении устройства к рельсовой линии на участках рельсов длиной  от изолирующего стыка до ближайшей дроссельной перемычки на контактах 9, 10 возле изолирующего стыка 1 появляется напряжение
а на контактах 15, 16 возле изолирующего стыка 2 появляется напряжение
ис1
ис2
где i, i - тяговые токи через соответствующие изолирующие стыки;
p
z - удельное сопротивление рельсов.
На контактах 21,22 появляется напряжение
а на контактах 22, 30 появляется напряжение
ДT
где Z - сопротивление секции основной обмотки дроссель-трансформатора;
дт1
дт2
i, i - тяговые токи в соответствующих его секциях.
ис1
ис2
При установке на усилителях 12 и 18 за счет регулировки коэффициента усиления величиной  уровень сигнала на выходе усилителя 12 будет соответствовать величине тягового тока i через изолирующий стык 1, а уровень сигнала на выходе усилителя 18 будет соответствовать величине тягового тока i через изолирующий стык 2.
2
дт2
дт1
дт2
При установке на усилителях 24 и 32 за счет регулировки коэффициента усиления величиной К=1/0,25Z уровень сигнала на выходе усилителя 24 будет соответствовать величине тягового тока i через первую секцию основной обмотки дроссель-трансформатора, а уровень сигнала на выходе усилителя 32 будет соответствовать величине тягового тока i через вторую секцию основной обмотки дроссель-трансформатора.
рн1
дт1
ис1
рн2
дт2
с2
Тогда сигнал на выходе сумматора 13 будет пропорционален текущей величине тягового тока i=i+i в первой рельсовой нити 3, а сигнал на выходе сумматора 19 будет пропорционален текущей величине тягового тока i=i+i во второй рельсовой нити 5.
нс1
pи1,
Сигналы с выходов усилителя 12 и сумматора 13 подаются соответственно на первый и второй входы делителя напряжений 14, сигнал на выходе которого будет пропорционален отношенною i/i т.е. относительному значению величины тягового тока через изолирующий стык, которая пропорциональна обратной величине сопротивления первого изолирующего стыка 1.
ис1
доп
ис1
доп
Пороговый элемент 26 настраивается так, что когда сопротивление Rизолирующего стыка 1 становится меньше допускаемой минимальной величины R, выходной сигнал этого элемента становится достаточным для срабатывания блока 27, сигнализирующем об отказе изолирующего стыка 1. А пороговый элемент 28 настраивается так, что когда сопротивление Rизолирующего стыка 1 становится близким к минимально допускаемой величине R, выходной сигнал этого элемента вызывает срабатывание блока 29, сигнализирующем о наступлении предотказного состояния изолирующего стыка 1.
ис2
ри2
Таким же образом устройство выполняет функцию по контролю состояния второго изолирующего стыка 2. Сигналы с выходов усилителя 18 и сумматора 19 подаются соответственно на первый и второй входы делителя напряжений 20, сигнал на выходе которого будет пропорционален отношенною i/i, т.е. относительному значению величины тягового тока через изолирующий стык, которая пропорциональна обратной величине сопротивления второго изолирующего стыка 2.
ис2
доп
иc2
доп
Пороговый элемент 33 настраивается так, что когда величина сопротивления R изолирующего стыка 2 становится меньше допускаемой минимальной величины R, выходной сигнал этого элемента становится достаточным для срабатывания блока 34, сигнализирующего об отказе изолирующего стыка 2. А пороговый элемент 35 настраивается так, что когда величина сопротивления R изолирующего стыка 2 становится близкой к минимально допускаемой величине R, выходной сигнал этого элемента вызывает срабатывание блока 36, сигнализирующего о наступлении безотказного состояния изолирующего стыка 2.
А
рн1
рн2
Сигналы с выходов сумматора 13 и сумматора 19 подаются также на входы вычитателя 25, выходной сигнал которого, пропорциональный абсолютному значению разности тяговых токов (их асимметрии) i=i - iв рельсовых нитях 3 и 5, подается на входы пороговых элементов 37, 38, 39.
Aдоп
Пороговый элемент 37 срабатывает от абсолютного значения управляющего сигнала, поступающего с выхода вычитателя 25, независимо от его полярности. Срабатывает он, когда величина сигнала на его входе превышает допускаемое для него значение при асимметрии тягового тока в рельсовой линии i, и включает блок сигнализации 40, извещая о данном нарушении.
рн1
рн2
рн2
рн1
Пороговый элемент 38 реагирует на сигнал положительной полярности. Поэтому он срабатывает тогда, когда величина тягового тока i в первой рельсовой нити 3 будет больше величины тягового тока i во второй рельсовой нити 5, и включает блок сигнализации 41. Пороговый элемент 39 реагирует на входной сигнал отрицательной полярности, поэтому он срабатывает тогда, когда величина тягового тока i во второй рельсовой нити 5 будет больше величины тягового тока i в первой рельсовой нити 3, включая блок сигнализации 42.
Следовательно, устройство обеспечивает не только контроль состояния изолирующих стыков, но и сигнализирует о тех случаях, когда асимметрия тягового тока в рельсовой линии возле этих стыков превышает допускаемую величину, давая также информацию о том, как при этом соотносятся величины тяговых токов в рельсовых нитях.
Анализ схемы устройства с использованием компьютеров, а также испытания лабораторного макета предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и достоверность результатов контроля.
Источники информации
1. Шаманов В.И. Помехи на аппаратуру рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации. Средства защиты. М.: ФГБУ ДПО «УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте», 2019. - 303 с.
2. Сапожников Вл.В., Сапожников В.В., Ефанов Д.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: учеб. пособие. М: ФГПУ ДПО «УМЦ по образованию на ж.-д. трансп.», 2017. - 318 с.
3. Шаманов В.И., Чабан П.Н. Устройство для контроля состояния изолирующих стыков в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока. Патент РФ на полезную модель №109723 от 27.10.2011 г.
4. Шаманов В.И., Михалдык В.П., Шаманова С.И., Никулин Л.В. Устройство для измерения сопротивления изолирующих стыков рельсовых цепей. Авторское свидетельство на изобретение СССР №1284874 от 23.01.1987 г.