Способ измерения электрических сопротивлений в неоднородных рельсовых нитях на электрифицированных участках железных дорог
METHOD OF MEASURING ELECTRICAL RESISTANCES IN INHOMOGENEOUS RAIL TRACKS ON ELECTRIFIED SECTIONS OF RAILWAYS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и обеспечивает измерение величины электрического сопротивления токопроводящих элементов рельсовых нитей в рельсовых линиях на электрифицированных железных дорогах. А именно, изобретение относится к способу измерения электрических сопротивлений в неоднородных рельсовых нитях на электрифицированных участках железных дорог.
Уровень техники
Использование рельсовых нитей для одновременного пропуска сигнальных токов рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации с тяговыми токами, величина которых на один - два порядка больше сигнальных, приводит к появлению мощных помех на работу аппаратуры автоматики. Уровень этих помех определяется величиной асимметрии тягового тока под приемными локомотивными катушками автоматической локомотивной сигнализации или в местах подключения к рельсам аппаратуры рельсовых цепей.
Первоисточником появления асимметрии тягового тока является асимметрия продольного и/или поперечного сопротивлений рельсовых линий. Асимметрия продольного сопротивления рельсовой линии появляется при несимметричном увеличении сопротивлений рельсовых стыков звеньевого пути, а асимметрия ее поперечного сопротивления возникает при несимметричном уменьшении сопротивлений рельсов по отношению к земле [1].
Величины и продольных, и поперечных сопротивлений рельсовых нитей распределяются по их длине случайным образом. Это определяет их неодинаковость распределения величин продольного и поперечного сопротивлений по длине рельсовых нитей, так и неодинаковость распределения этих сопротивлений по длине рельсовых нитей одной рельсовой линии. В результате асимметрия тягового тока изменяется по длине рельсовой цепи случайным образом.
Асимметрия тягового тока в конце рельсовой цепи, где ее приемник подключается к рельсам, зависит от усредненной асимметрии продольного и поперечного сопротивления отрезка рельсовой линии, расположенного между питающим и релейным концом рельсовых цепей.
На устойчивость работы автоматической локомотивной сигнализации влияет распределение тягового тока под приемными локомотивными катушками, которое изменяется при каждом появлении асимметрии сопротивления по длине рельсовой линии перед головным локомотивом поезда. На величину асимметрии тягового тока влияет также и соотношение продольного и поперечного сопротивлений рельсовой нити в конкретной точке пути. Например, при приближении головы поезда к точке, после которой лежат рельсовые стыки с повышенными переходными сопротивлениями, утечка тягового из рельсов в землю в этой рельсовой нити растет при неизменной величине сопротивления рельсов по отношению к земле.
Поэтому асимметрия сопротивления рельсовой нити меньше влияет на устойчивость работы рельсовых цепей по сравнению с ее влиянием на работу автоматической локомотивной сигнализации.
Для выявления причин сбоев в работе рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации необходимо знать, как распределяется асимметрия электрических сопротивлений рельсовых нитей по длине рельсовой линии.
Известен способ диагностики состояния электрического сопротивления рельсовых линий в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока, когда измеряют тяговые токи в начале и конце каждой рельсовой нити, входящей в рельсовую цепь, и по соотношению величин этих токов находят причину появления асимметрии тягового тока [2]. Однако этот способ основан на оценке усредненной по длине рельсовой цепи асимметрии продольного и поперечного сопротивлений рельсовой линии и не позволяет находить численные значения сопротивления рельсов и сопротивления между рельсами и землей в конкретной точке пути.
Известен способ двух вольтметров [3], использование которого обеспечивает возможность измерять сопротивления токопроводящих стыков, суммирование которых с сопротивлениями сплошных рельсов в рельсовых звеньях позволяет найти распределение сопротивления рельсовых нитей по их длине на конкретном отрезке рельсовой нити. Однако этот способ достаточно трудоемок и не позволяет находить сопротивления между рельсами и землей. А без знания величины сопротивления каждого отрезка рельсовой нити по отношению к земле диагностика причин появления повышенной асимметрии переменного тягового тока в рельсовой линии невозможна.
Известны устройства типа ИСБ1 и ИСБ2, с помощью которых можно измерять сопротивление изоляции между рельсовыми нитями рельсовой линии [4]. Но при этом нельзя определить четкие границы измеряемого участка рельсовой линии, а реальная длина этого участка нечетка, так как она зависит от величины измеряемого сопротивления изоляции и не может как-то ограничиваться.
Таким образом, известные способы измерений в рельсовых линиях не дают возможность находить численные значения сопротивлений самих рельсов и сопротивлений между рельсами и землей на отдельных участках рельсовых нитей.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в обеспечении возможности определения у выбранного отрезка рельсовой нити численных значений продольных сопротивлений его первой и второй половины и сопротивления между рельсами и землей.
Задача достигается за счет заявленного способа, заключающегося в измерении величины тяговых токов в рельсах в начале и конце выбранного участка рельсовой нити в нормальном режиме ее работы. При этом дополнительно измеряют напряжение между рельсами и удаленной землей в конце этого участка в нормальном режиме его работы, а также токи в рельсах в начале участка, в конце участка рельсовой нити и напряжение между рельсами и удаленной землей в начале участка при коротком замыкании рельсов на землю в конце участка, вычисляют величину сопротивления рельсов у второй по ходу тягового тока половины участка умножением напряжения между рельсами и удаленной землей в конце участка в нормальном режиме его работы на отношение разности токов в рельсах в начале и конце участка в режиме короткого замыкания к разности произведения тока в начале участка в нормальном режиме работы и тока в конце участка в режиме короткого замыкания, из которой вычитается произведение тока в конце участка в нормальном режиме работы и тока в начале участка в режиме короткого замыкания; вычисляют величину сопротивления между рельсами и землей умножением найденного значения сопротивления рельсов у второй половины участка на отношение тока в конце участка в режиме короткого замыкания к разности токов в начале и конце участка в режиме короткого замыкания, а затем вычисляют величину сопротивления рельсов у первой половины участка как разность отношения напряжения между рельсами и удаленной землей к току в начале участка в режиме короткого замыкания и отношения произведения найденных значений сопротивления рельсов у второй половины участка и сопротивления между рельсами и землей к их сумме.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показаны измеряемые токи и напряжения в отрезке рельсовой нити при ее работе в нормальном режиме в рельсовой тяговой сети.
На Фиг. 2 показаны измеряемые токи и напряжения в рельсовой нити при коротком замыкании ее рельсов на землю на выходном для тягового тока конце.
Осуществление изобретения
1
2
рз
вx2
Рельсовые нити при анализе процессов протекания по ним тяговых токов удобно представлять в виде последовательного соединения Т-образных схем замещения (трехполюсников). В схемах замещения на рисунках 1 и 2 последовательно включенными резисторами с сопротивлениями Z и Z обозначены сопротивления половин отрезков рельсов, входящих в рассматриваемый участок, т.е. половины продольного сопротивления рельсовой нити. Резистором R обозначено распределенное по длине отрезка рельсовой нити ее поперечное сопротивление - сопротивление между рельсами и землей. Входное по отношению к земле сопротивление рельсовой нити, примыкающей к концу рассматриваемого ее отрезка, обозначено Z.
1
2
pз
У неоднородных рельсовых нитей и продольное, и поперечное сопротивления изменяются по их длине. Следовательно, на рисунках Z≠Z. Активное сопротивление между рельсами и землей R также меняется по длине рельсовой линии.
На Фиг. 1 показаны измеряемые токи и напряжения в отрезке рельсовой нити при ее работе в нормальном режиме в рельсовой тяговой сети:
- тяговый ток, втекающий в рассматриваемый отрезок рельсовой нити;
- вытекающий из рельсов тяговый ток на ее выходе;
- напряжение между рельсами и удаленной землей на выходном конце этого отрезка рельсовой нити.
На Фиг. 2 показаны измеряемые токи и напряжения в рельсовой нити при коротком замыкании ее рельсов на землю на выходном для тягового тока конце:
- тяговый ток, втекающий в рассматриваемый отрезок рельсовой нити;
- вытекающий из рельсов тяговый ток при их коротком замыкании на землю;
- напряжение между рельсами и удаленной землей на входном конце отрезка рельсовой нити в этом режиме измерения.
С использованием измеренных значений указанных токов и напряжений проводятся следующие вычисления для определения численных величин электрических сопротивлений отрезка рассматриваемой рельсовой нити.
Входное сопротивление между рельсами и землей рельсовой нити, примыкающей к концу рассматриваемого отрезка рельсовой нити (рис. 1)
1
Тяговый ток i от средней точки трехполюсника растекается обратно пропорционально сопротивлениям ее ветвей [1]. Поэтому выходной ток в рельсах в первой схеме измерения (рис. 1) можно найти по формуле
Выходной ток для второй схемы измерения (рис. 2)
Из формулы (2)
откуда
Из формулы (3)
pз
Подставим значение R из формулы (6) в формулу (4) после несложных ее преобразований
2
Тогда численное значение Z у рельсов второй половины отрезка рельсовой нити с учетом (1)
2
Из (3) с использованием найденного численного значения Z вычисляется величина сопротивления меду рельсами и землей у данного отрезка рельсовой нити
1
рз
2
В соответствии с рисунком 2 схема отрезка рельсовой нити при коротком замыкании рельсов на землю на ее конце состоит из сопротивления Z, последовательно с которым включены соединенные параллельно сопротивлениями R и Z. Падение тягового напряжения на этих элементах
1
pз
2
Отсюда сопротивление рельсов первой половины отрезка рельсовой нити Z при известных значениях R и Z можно найти по формуле
Таким образом, предложенный способ позволяет проведением простых измерений и выполнением несложных вычислительных операций с использованием результатов измерений найти численные значения сопротивлений рельсов в каждой из половин участка рельсовой нити, а также численное значение сопротивления между его рельсами и землей.
Достоинством предложенного способа измерения является его простота и близость к реальному процессу растекания тяговых токов по неоднородным рельсовым нитям, по длине которых величина продольных и поперечных сопротивлений в общем случае изменения.
Интенсивность стекания тягового тока из рельсов в землю зависит не только от величины электрического сопротивления между рельсами и землей, но и от соотношения этой величины с величиной входного сопротивления рельсовой нити, примыкающей к концу рассматриваемого участка. Чем больше это входное сопротивление, тем интенсивнее тяговый ток стекает из рельсов в землю при том же их сопротивлении по отношению к земле.
В соответствии с предложенным способом численные значения сопротивлений рельсовой нити находятся по соотношениям величин тяговых токов, текущих по рельсам и утекающих в землю в ее пределах. Поэтому найденные значения сопротивлений вполне адекватно отражают реальный процесс растекания тягового тока по отрезкам рельсовых нитей в неоднородной рельсовой линии.
Для использования способа необходима установка по одному заземлителю возле входного и выходного конца выбранного участка рельсовой нити, на расстоянии 30 - 50 метров от оси пути. Один из них нужен для измерения напряжения между рельсами и удаленной землей в конце участка в нормальном режиме работы тяговой рельсовой сети. Второй нужен для измерения напряжения между рельсами и удаленной землей в начале участка при его работе в режиме короткого замыкания.
Еще один заземлитель нужен для короткого замыкания рельсов на землю в конце участка. Он устанавливается в непосредственной близости от пути.
Величина переменного тягового тока в рельсах может измеряться каким-либо бесконтактным амперметром с катушкой индуктивности или косвенным способом, например, по падению напряжения на отрезке сплошного рельса фиксированной длины [1].
Эксперименты в условиях эксплуатации, а также компьютерные эксперименты с использованием предложенного способа по измерению электрических сопротивлений рельсовых нитей в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока подтвердили достоверность получаемых результатов измерений.
Источники информации
1. Шаманов В.И. Электромагнитная совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. - 244 с.
7
2. Пат. на изобретение №2514027 Российская Федерация, МПК В61L 23/16. Способ диагностики состояния электрического сопротивления рельсовых линий в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока // Балуев Н.Н., Шаманов В.И. заявитель и патентообладатель Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ). - Заявка №2012112129/11. Заявл. 30.03.12; опубл. 27.04.2014, Бюл. №12. - 7 с.: 2 ил.
3. Шаманов В.И., Михалдык В.П. и др. Устройство для измерения сопротивления малой величины. А.с. на изобретение №1798729. (СССР). Бюллетень изобретений, 1993, №8. - С. 145-146.
4. Дмитренко И.Е., Дьяков Д.В., Сапожников В.В. Измерения и диагностирование в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. - М.: Транспорт, 1994. - 263 с.