СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА КОНТАКТНОГО ПРОВОДА (ПРОВОДОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ)
METHOD FOR AUTOMATIC MEASUREMENT OF CONTACT WIRE WEAR (WIRES OF CATENARY SYSTEM)

Изобретение относится к транспортным средствам с электротягой и предназначено для диагностики состояния контактных проводов.
Движение поездов электрифицированных железных дорог осуществляется электроприводом, расположенным в самом поезде, электропитание к которому подводится от контактного провода (КП) специальным прижимным токосъемным устройством (пантографом) через токосъемный полоз, обеспечивающим непрерывный контакт с проводом при движении поезда.
Съем тока с КП сопровождается износом как КП, так и токосъемного полоза. И если замена полоза трудности не представляет, то контроль износа КП и его замена при превышении допустимой степени износа - одна из основных проблем ж/д служб.
2
2
Износ КП - это уменьшение линейных размеров, площади поперечного сечения и массы провода при трении о токосъемный полоз пантографа. Износ КП измеряется в мм уменьшения площади его поперечного сечения. Для сечения провода 100 мм износ не должен превышать 30% его сечения. Места провода с большим износом должны вырезаться и заменяться вставками. Замеры износа КП производятся не менее 1 раза в год (а в местах повышенного износа не менее 1 раза в квартал).
К настоящему времени основным способ измерения износа КП остается ручной способ (микрометром, штангенциркулем). Автоматизированные системы, осуществляющие контроль износа при движении поезда в рабочем режиме, оборудование которых расположено на крыше и внутри специального вагона-лаборатории, находятся в настоящее время в процессе внедрения.
Примером реализации способа автоматического измерения и регистрации износа КП может служить устройство по патенту РФ [1].
Суть данного автоматического измерения износа КП заключается в подсветке КП импульсным линейным осветителем, приеме отраженного от КП сигнала линейными телевизионными камерами, регистрации ширины полосы света, отраженного от изношенной поверхности КП, передаче выходных электрических информационных сигналов в блок обработки и индикации информации для вычисления степени износа КП.
При идеальной подвеске КП и идеальной площадке износа KП (фиг.1) измеряется ширина площадки износа L, по которой косвенно определяется остаточная площадь сечения КП или остаточная высота.
Реальная картина износа КП может отличаться от идеальной, и площадка износа может иметь сложную конфигурацию (несколько площадок износа, наклонный износ) (фиг.2).
В этом случае данный косвенный способ измерения не обеспечивает достаточной точности и достоверности измерения. Это основной недостаток системы измерения по данному способу.
Системе присущи и другие недостатки, такие как недостаточная надежность и помехозащищенность, незащищенность от влияния внешнего светового фона.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ измерения износа КП, реализованный в СОРАН [2]. Принцип этого метода показан на фиг.3.
Коллимированный луч импульсного лазерного излучателя 1 посредством разворачивающей системы превращается в плоский расходящийся веером световой пучок 2 толщиной 0,3÷06 мм, направленный на КП 3. Матрица телевизионной камеры 4 через объектив 5 регистрирует линию пересечения 6 поверхности провода с плоскостью веерного луча для последующей передачи в систему обработки полученного изображения и вычисления величины износа КП. Оборудование измерительной системы размещено на крыше вагона. Высота подвески КП от размещения измерительной системы меняется в широких пределах (0,7÷2,2 м от крыши вагона).
По этой причине оборудование измерительной системы оснащено механическим устройством, обеспечивающим слежение оптической системой измерительного блока за высотой подвеса КП для подстройки измерительной системы под разную высоту подвеса КП (фиг.4), где: 1 - подвижный лазерный излучатель веерного луча; 2 - веерный луч; 3 - контактный провод; 4 - матричная телевизионная камера; 7 - контроллер телевизионной камеры и мотора слежения; 8 - подвижные наклонные зеркала изображения; 9 - неподвижное наклонное зеркало веерного луча; 10 - обратная связь системы слежения за КП; 11 - мотор системы слежения; 12 - линия связи к станции обработки информации; 13 - крыша измерительного вагона.
Необходимость такого устройства слежения за высотой подвеса КП является одним из основных ее недостатков. Еще более серьезным недостатком является неспособность достоверно формировать линию пересечения веерного луча лазерного излучателя с поверхностью КП при работе даже при незначительных осадках из-за большого расстояния от провода до измерительной системы. Это снижает достоверность и точность измерений износа КП.
Основной задачей предлагаемого способа измерения износа КП является устранение указанных недостатков:
- увеличение точности и достоверности измерения износа КП;
- упрощение за счет отказа от механической системы слежения за переменной высотой подвеса КП.
Дополнительно ставится задача повышения независимости достоверности измерений:
- от влияния внешнего светового фона;
- от погодных условий (дожди, снегопады).
В предложенном способе измерения износа КП также используется принцип фиксации линии пересечения поверхности провода и плоскости веерного луча лазерного излучателя с последующим вычислением остаточной высоты или остаточной площади поперечного сечения КП, а также фиксации положения КП относительно оси токоприемника.
Поставленная задача решается за счет применения для подсветки каждого из КП несколькими веерными излучателями (на каждую телевизионную камеру), диаграммы направленности которых расположены в параллельных плоскостях, и симметрично по обе стороны от оптической оси визирования камеры. В таком варианте расширяется угол захвата веерными лучами боковых поверхностей площадок износа и видимая линия пересечения поверхности провода и плоскостей 2-х веерных лучей более точно и достоверно передает реальную картину износа поверхности каждого КП, фиксируемую камерой. Форма линии пересечения плоскости лазерного растра и поверхности КП не зависит от угла наклона КП.
В системе измерения используются специальные высокоскоростные матричные телевизионные камеры, а подсветка КП осуществляется веерными импульсными лазерными осветителями.
Лазеры, зеркала и камеры размещены таким образом, что для получения изображения используется диффузная составляющая отраженного лазерного луча.
В предлагаемом способе измерения износа КП осветительное и измерительное оборудование размещаются на отдельном измерительном полозе токоприемника и располагаются на минимально допустимом фиксированном расстоянии от КП в пределах 80÷100 мм. Это позволяет решить вторую задачу изобретения, т.е. отказаться от сложной системы слежения за переменной высотой подвески КП. Решается и вторая дополнительная задача - повышение независимости достоверности измерений от погодных условий.
Первая дополнительная задача - повышение независимости достоверности измерений от влияния внешнего светового фона решается совместным использованием оптических инфракрасных пропускающих фильтров и режима с междукадровой компенсацией в телевизионной камере. В этом режиме телевизионная камера регистрирует два соседних кадра - один кадр с подсветкой КП, второй кадр без подсветки КП. В результате вычитания изображений одного кадра из другого выделяется только полезный сигнал (без фоновой подсветки), который и регистрируется.
В режиме междукадровой компенсации камеры используется не полный кадр матрицы (1024 строки), а только необходимую часть строк изображения (90-150). Это позволяет увеличить частоту кадров до 625 (вместо 78) изображений в секунду, что также увеличивает точность и достоверность измерений системы измерения износа контактного провода лазерной (СИИКПЛ).
Упрощенная структурная схема СИИКПЛ приведена на фиг.5. СИИКПЛ состоит из четырех идентичных модулей электронно-оптических МЭО 14, расположенных на измерительном токоприемнике и работающих под потенциалом контактной сети. Каждый модуль включает в себя два блока управления лазером БУЛ 15, два генератора веерного луча ГВЛ 1, цифровую матричную телевизионную камеру ЦТВК 4 с объективом 5 и блок питания БП 16. Питание всех модулей МЭО осуществляется от преобразователя 220 В АС/24 В DC 17, который также находится под потенциалом контактной сети и подключен к разделительному высоковольтному трансформатору ТР 18. В ЦТВК осуществляется первичная обработка изображения, подавление мешающих сигналов от фона, выделение линии пересечения веерного луча с поверхностью провода, измерение основных параметров выделенного оптического сигнала и сжатие данных для уменьшения трафика передаваемых данных по дуплексным волоконно-оптическим линиям связи ДВОЛС 19.
Управление работой МЭО и передача измерительной и телеметрической информации осуществляется по ДВОЛС между ЦТВК и блоками цифровой обработки сигналов БЦОС 20, расположенных во внутренних помещениях измерительного вагона. В БЦОС происходит первичная обработка информации, выделение на принятом кадре зон с изображением контактных проводов и передача полученных данных в ПЭВМ 21 (промышленную электронно-вычислительную машину) рабочего места оператора.
Кроме того, через БЦОС осуществляется синхронизация и управление работой всех камер.
Расчет величины износа КП производится в ПЭВМ рабочего места оператора по специальным алгоритмам.
Испытание системы СИИКПЛ, использующей предлагаемый способ измерения износа КП, подтвердило выполнение всех поставленных перед изобретением задач.
Техническим результатом является увеличение точности и достоверности измерения износа КП, независимость от влияния внешнего светового фона, работоспособность в сложных погодных условиях.
Источники информации
1. Патент РФ №2120866.
2. СО РАН [http://WWW.tdisie.nsc.ru/Rus/s_contact_rus.html].