СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЁМА
METHOD OF OPTICAL RECORDING OF CURRENT TAKE-UP FAILURES

Изобретение относится к электрифицированному железнодорожному транспорту и может быть использовано для непрерывного контроля качества взаимодействия контактной подвески и токоприемников электроподвижного состава путем регистрации и анализа оптического излучения (ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных электромагнитных волн), возникающего при дугообразовании и перегрузочном искрении, которые сопровождают отрывы токоприемников от контактного провода контактной подвески.
Контактная подвеска во взаимодействии с токоприемниками электроподвижного состава должна обеспечивать бесперебойный токосъем при движении поездов с установленной скоростью и в заданных климатических условиях. При нарушениях токосъема возникают дугообразование или перегрузочное искрение между полозом токоприемника электроподвижного состава и контактным проводом контактной подвески. Нарушение токосъема возникает по следующим причинам: неисправность контактной подвески (нарушение регулировки, жесткие точки, дефекты монтажа и эксплуатации и др.), появление на контактной сети гололеда, неисправности токоприемников электроподвижного состава (нерасчетное нажатие, износ, трещины, сколы токосъемных пластин и др.).
Далее под дуговым нарушением токосъема подразумевается процесс, при котором происходят отрывы токоприемника от контактного провода, как правило, с полной потерей механического контакта, сопровождающиеся возникновением открытой электрической дуги, вызывающей бесконтактную высокотемпературную электродуговую эрозию контактного провода.
Под перегрузочным искрением подразумевается процесс, порождаемый перегрузкой током скользящего контакта, что вызывает электровзрывную эрозию в месте контакта. Резкое увеличение переходного сопротивления контакта сопровождается интенсивным выделением тепла на микровыступах контактирующих элементов, вызывающим плавление и разбрызгивание частиц в окружающее пространство.
Оба эти процесса оказывают разрушающее воздействие на контактный провод, однако степень этого воздействия различна и наибольшую опасность представляют дуговые нарушения токосъема из-за гораздо более высоких температур и энергий воздействия.
С точки зрения технической диагностики контактной сети и реальной ее эксплуатации необходимо регистрировать нарушения токосъема, их вид (дуговое или перегрузочное искрение) и степень воздействия на контактный провод.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ регистрации светового излучения от искрений токоприемника, реализованный в устройствах, защищенных авторскими свидетельствами [1] и [2]. Также известна разработанная в СССР и реализующая устройство по патенту [2] оптико-электронная автоматизированная система ДКИ-2, предназначенная для бесконтактной регистрации искровых нарушений токосъема и включающая в себя оптический блок, принимающий видимое излучение от нарушения токосъема и производящий необходимые преобразования принятого сигнала, и блок регистрации и обработки информации, имеющий разъемы для подключения к внешним и бортовым компьютерам и производящий анализ информации [3].
Способ, который реализует устройство, описанное в [3], может быть сформулирован следующим образом: «Способ регистрации искрений токоприемника путем регистрации видимого излучения, возникающего при нарушении токосъема, с последующими обработкой и анализом полученного сигнала, а также выдачей результата о факте случившегося нарушения с регистрацией его длительности и привязкой к месту происшествия». Этот способ выбран в качестве прототипа.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение следующих недостатков прототипа:
- неспособность различить вид нарушения токосъема (дугообразование или перегрузочное искрение);
- неспособность определить возможную причину появления тех или иных нарушений контакта, то есть приблизиться к наиболее вероятному непосредственному образу дефекта или состоянию контактного провода;
- невозможность оценить степень опасности того или иного дефекта с точки зрения термического воздействия на контактный провод;
- низкая с точки зрения технического диагностирования достоверность и надежность определения искрений.
Спектральный состав света, выделяемого при дуговых нарушениях токосъема и перегрузочных искрениях неодинаков из-за различных температур, сопровождаемых эти процессы, что показано в исследовании, проведенном авторами заявляемого изобретения [4]. Основные результаты исследования заключаются в следующем:
- максимум функции спектральной плотности энергетической светимости дугового нарушения приходится на видимый диапазон и находится в промежутке длин волн соответствующих синему цвету. Относительно видимого спектра максимум смещен ближе к УФ области, на которую также приходится часть энергии излучения;
- максимум функции спектральной плотности энергетической светимости перегрузочного искрения, как и практически вся часть его мощности, приходится на ИК диапазон. Энергия, приходящаяся на УФ области чрезвычайно мала.
Это очень важные диагностические признаки, на основании которых можно различать эти виды нарушений токосъема и судить об опасности их влияния на контактный провод.
Решение технической задачи достигается тем, что при осуществлении способа оптической регистрации нарушений токосъема, при котором происходит регистрация оптического излучения от дуговых, искровых или иных разрядных или тепловых процессов, в том числе перегрузочных искрений, возникающих при нарушениях токосъема, прием излучения происходит в одном или более диапазонах электромагнитных волн, затем производятся любые необходимые преобразования и обработка сигналов (излучений) с последующим их анализом. Дополняющие варианты исполнения соответствуют зависимым пунктам формулы изобретения.
Прием излучения при оптической регистрации в одном или более диапазонах электромагнитных волн и анализ полученных сигналов (излучений) составляют новизну и существенные отличия заявляемого изобретения, поскольку позволяют определять вид нарушения, его основные характеристики и опасность, а значит, повысить точность и качество диагностирования.
Способ поясняется чертежом, на котором:
i
i+1
фигура 1 изображает временные диаграммы сигналов излучений, принимаемых при осуществлении способа. Уровень сигнала обозначен Е, текущее время обозначено t. Вспышки обозначены арабскими цифрами 1, 2, …, 7, а интервалы времени между максимумами вспышек на третьей временной диаграмме обозначены t, t. Для более наглядной демонстрации на чертеже изображены три диаграммы, поясняющие реализацию способа при различных нарушениях токосъема.
При нарушении токосъема возникает дугообразование или перегрузочное искрение, эти нарушения сопровождаются излучением электромагнитных волн оптического диапазона.
На первой диаграмме фигуры 1 показаны одиночные нарушения токосъема: дуговая вспышка (вспышка 1) и вспышка перегрузочного искрения (вспышка 2). Как видно из диаграммы, уровень сигнала этих нарушений может быть различен, что уже является диагностическим признаком их различения. Однако условия и ситуации могут быть различными, поэтому для более уверенного и надежного различения этих нарушений и для определения степени их опасности необходим прием излучения в более чем одном диапазоне оптического излучения, поскольку это дает возможность судить о спектральных и энергетических характеристиках того или иного дефекта. Например, если в составе регистрируемого излучения была зафиксирована значительная энергия, принятая в УФ-диапазоне длин волн, можно заключить, что имело место дуговое нарушение токосъема, причем по количеству принятой энергии можно судить о степени влияния на контактный провод, то есть об опасности нарушения. Если же в составе регистрируемого излучения была принята значительная энергия в ИК-диапазоне длин волн, а в УФ-диапазоне регистрации энергии не произошло, можно заключить, что имело место перегрузочное искрение, опасность которого также можно оценить.
При реализации способа для эксплуатации и ремонта контактной сети важно знать, как минимум, факт произошедшего нарушения и его место в контактной сети. Это необходимый минимум информации, который необходим для регистрации нарушений токосъема. Однако, помимо вышеуказанного минимума, осуществление заявляемого способа позволяет расширить возможности диагностической системы и давать заключение на основе полученной информации о следующих параметрах:
- длительности разрядного или теплового процесса;
- энергетических и (или) спектральных характеристиках принятого излучения;
- типе разрядного или теплового процесса, произошедшего при нарушении токосъема;
- степени воздействия или степени опасности воздействия произошедшего разрядного или теплового процесса на контактирующие элементы;
- возможном типе дефекта, из-за которого произошло нарушение токосъема.
На второй диаграмме фигуры 1 показаны дуговые вспышки (вспышка 3 и 4), возникающие в режиме гололедообразования на контактном проводе. При гололеде наблюдаются очень часто идущие друг за другом дуговые вспышки, либо сплошное длительное дугообразование между контактным проводом и полозом токоприемника. При этом гололед возможен только в том случае, если температура окружающего воздуха находится в заданных пределах (как правило, от +1 до -10°С), поэтому необходимо измерять температуру для более результативного и надежного выявления данного режима.
i
i+1
i
i+1
На третьей диаграмме фигуры 1 показаны дуговые вспышки (№5, 6, 7), возникающие при неисправности токоприемника, например, при сколе или выщерблине токосъемных пластин. При подобных дефектах из-за зигзага контактного провода будут наблюдаться регулярные одиночные нарушения токосъема в каждом пролете (между смежными опорами) контактной сети с некоторыми интервалами времени t, t. Для выявления данной причины нарушения токосъема измеряют периодичность возникновения нарушений токосъема на участке контактной сети для последующего анализа, например, нахождения отношения промежутков времени t/t между следующими друг за другом одиночными вспышками. При этом, если отношение интервалов находится в заранее определенных пределах и повторяется, то делается вывод о неисправности токоприемника.
Способ по пункту 5 формулы изобретения конкретизирует наиболее рациональные и информативные с точки зрения технической диагностики сочетания диапазонов излучения для повышения результативности и достоверности поиска нарушений токосъема. Информативным можно считать сочетание ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов излучения, а наиболее информативным сочетание УФ, ИК и видимого диапазонов. Под раздельным приемом излучения понимается первичное получение сигналов отдельно в УФ, отдельно в ИК и отдельно в видимом диапазонах, например, раздельными органами приема, либо в разные промежутки времени. Под совместным приемом излучения понимается совокупное получение всего спектра оптического излучения с последующим выделением излучений по диапазонам.
Предлагаемый способ выполняется с помощью известных технических средств, причем как аналоговых, так и цифровых.
Литература
1. Авт. св. СССР №815501. Устройство для регистрации искрения токоприемника. / Ю.Г. Семенов, Е.П. Фигурнов. Кл. G01D 9/00, B60L 5/00. №2771563/18-10. Заявка 17.05.79, опубл. 23.03.81, Бюл. №11.
2. Авт. св. СССР №1050927. Устройство для регистрации искрения токоприемника. / Ю.Г. Семенов, Е.П. Фигурнов. Кл. B60L 5/00. №3448343/24-11. Заявка 09.06.82, опубл. 30.10.83, Бюл. №40.
3. Семенов Ю.Г. Основы контроля дуговых нарушений токосъема в электротяговых сетях: Монография. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2010. С. 122-126.
4. Кондратов, И.А. Развитие оптического метода обнаружения сосредоточенных дефектов контактной сети по дуговым и искровым нарушениям токосъема вагоном-лабораторией / И.А. Кондратов, Ю.Г. Семенов // Транспорт: наука, образование, производство. Том 2. Технические науки: сб. науч. тр. / Рост. гос. ун-т путей сообщения. - Ростов н/Д, 2016. - 484 с.