СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ НАРУШЕНИЙ ТОКОСЪЁМА
METHOD FOR ACOUSTIC RECORDING OF CURRENT COLLECTION FAULTS

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 механических колебаний (ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн), возникающих 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 акустических волн от искрений токоприемника, известный из [1] и [2], где описано следующее. Для регистрации нарушений скользящего контакта был применен микрофон, установленный непосредственно на токоприемнике вагона-лаборатории и регистрировавший звуковые колебания от трения поверхностей токосъемных накладок о контактный провод при нормальном контакте. При нарушении токосъема (отрыв токоприемника) шум исчезал, и это фиксировалось устройством. Этот способ выбран в качестве прототипа.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение следующих недостатков прототипа:
- микрофон, установленный в непосредственной близости от скользящего контакта на токоприемнике, требует применения высоковольтного развязывающего оборудования;
- возникающие звуковые помехи в виде треска при искрении или дугообразовании на токоприемнике не позволяют производить достоверную регистрацию;
- 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.
Такой метод не мог быть использован для регистрации нарушений на рабочем токоприемнике локомотива, так как практически все отрывы сопровождались электрической дугой. Анализ этой информации показывает, что способ по [1] и [2] основывается на отсутствии шума как признака отсутствия контакта между контактным проводом и токоприемником.
Однако гораздо более информативным диагностическим признаком нарушения контакта является характерное наличие звука электрической дуги или треска искрения при нарушении контакта, что и должно быть положено в создание современной системы бесконтактной регистрации нарушений токосъема, построенной на базе акустического метода регистрации.
Спектральный состав звуковых волн, испускаемых при дуговых нарушениях токосъема и перегрузочных искрениях неодинаков из-за различных физических процессов, сопровождаемых эти нарушения.
Звук, возникающий при горении дуги весьма специфичен, имеет большую амплитуду по сравнению с перегрузочным искрением и в большей степени похож на шум с треском.
Перегрузочные искрения из-за электровзрывной эрозии преимущественно похожи на короткие небольшие взрывы, сопровождаемые характерным для этого процесса звуком.
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 акустической регистрации нарушений токосъема, при котором происходит регистрация звуковых колебаний от дуговых, искровых или иных разрядных или тепловых процессов, в том числе перегрузочных искрений, возникающих при нарушениях токосъема, отличающийся тем, что прием волн происходит в одном или более диапазонах звуковых колебаний, затем производятся необходимые преобразования и обработка сигналов с последующим их анализом. Дополняющие варианты исполнения соответствуют зависимым пунктам формулы изобретения.
Прием механических колебаний при акустической регистрации в одном или более диапазонах звуковых колебаний (ультразвуковом, звуковом или инфразвуковом) в качестве полезных сигналов и анализ полученных данных составляют новизну и существенные отличия заявляемого изобретения, поскольку позволяют определять вид нарушения, его основные характеристики и опасность, а значит, повысить точность и качество диагностирования.
Это очень важные диагностические признаки, на основании которых можно различать эти виды нарушений токосъема и судить об опасности их влияния на контактный провод.
Способ поясняется чертежом, на котором:
i
i+1
i+n
фигура 1 изображает временные диаграммы сигналов звуковых волн, принимаемых при осуществлении способа. Уровень сигнала обозначен А, текущее время обозначено t. Вспышки обозначены арабскими цифрами 1, 2, …, 10, а интервалы времени между максимумами вспышек на третьей временной диаграмме обозначены t, 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 испусканием звуковых волн широкого 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. На вспышке 2 также может быть определен характер электровзрывного процесса - несколько максимумов сигнала.
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 сигнала;
- 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+n
i+1
На третьей диаграмме фигуры 1 показаны парные дуговые вспышки (№5 и 6, 7 и 8, 9 и 10), 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, 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.
Способы по пунктам 6 и 7 формулы изобретения конкретизируют наиболее рациональные и информативные с точки зрения технической диагностики и помехозащищенности технические решения по реализации приема звуковых волн. Так, например, применение узконаправленного микрофона по пункту 6 формулы значительно снижает влияние окружающих шумов на регистрацию полезных звуковых волн от нарушения токосъема. Еще большее снижение шумов может дать применение по отношению к принимаемому сигналу отрицательной обратной связи со стороны дополнительного всенаправленного микрофона, принимающего окружающий шум. В этом случае шум можно будет исключить вычитанием его из общего спектра сигнала.
Применение современных приемников звуковых волн, в том числе узконаправленных микрофонов, дают возможность устанавливать их на достаточном расстоянии от токоведущих частей электроподвижного состава, что позволяет вести дистанционный контроль и не применять высоковольтное развязывающее оборудование.
Предлагаемый способ выполняется с помощью известных технических аппаратных и программных средств, причем как аналоговых, так и цифровых.
Литература
1. Семенов, Ю.Г. Дефектировка контактной сети по искрению при токосъеме: дис… канд. техн. наук / Ю.Г. Семенов. - Ростов-на-Дону, 1986. - С. 30
2. Семенов, Ю.Г. Методы регистрации нарушений токосъема и их концептуальное развитие / Ю.Г. Семенов, И.А. Кондрашов // Сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Транспорт: наука, образование, производство (Транспорт-2018)». - Ростов-н/Д.: РГУПС - 2018. - Т. 3. - С. 311-314.