СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ЛИНИЙ В РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЯХ НА УЧАСТКАХ С ЭЛЕКТРОТЯГОЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD OF DIAGNOSING STATE OF ELECTRICAL RESISTANCE OF RAILS IN TRACK CIRCUITS ON ALTERNATING CURRENT TRACTION SECTIONS

Изобретение относится к железнодорожной автоматике и телемеханике и может быть использовано при техническом обслуживании рельсовых цепей.
Известен способ контроля величины асимметрии тягового тока при электротяге переменного тока, когда измеряют одновременно токи в рельсовых нитях в начале и в конце рельсовой цепи, а затем вычисляют коэффициенты асимметрии тягового тока на этих концах. Коэффициент асимметрии для участков с тяговым током до 300 А не должен превышать 4%. Токи измеряют клещами Дитца (прибор Ц-91) в дроссельных перемычках [1, с.58]. Однако этот способ не позволяет выяснить причины повышенной асимметрии тягового тока при ее появлении, а прибор Ц-91 неудобен для использования из-за его большой громоздкости. При электротяге постоянного тока величину тяговых токов в рельсовых нитях находят косвенным способом по результатам измерения напряжения на секциях основных обмоток дроссель-трансформаторов [1, с.58]. Способ не позволяет определить причины повышенной асимметрии тягового тока в рельсовой линии.
Известны также способы определения параметров рельсовой линии - сопротивления самих рельсовых нитей и их сопротивления по отношению к земле [2]. Однако при этом находится только совместное сопротивление рельсовых нитей (сопротивление рельсовой петли) и сопротивление изоляции между ними, куда входят и их сопротивления по отношению к земле. Переменный тяговый ток электровозов интенсивно стекает из рельсов в землю так, что при талом грунте на расстоянии 3-4 км от электровоза в рельсах остается не более 5-10% от его тягового тока [3]. Поэтому для выявления причин асимметрии тягового тока надо знать раздельно величины сопротивлений как каждой рельсовой нити, так и их сопротивлений по отношению к земле.
Известен способ «двух вольтметров», позволяющий измерять сопротивления рельсовых стыковых соединителей в каждой рельсовой нити требуемого отрезка рельсовой линии, а затем суммированием этих сопротивлений находить полное сопротивление стыковых соединителей и по этим данным определять, обладает ли этот отрезок рельсовой линии продольной асимметрией, т.е. асимметрией сопротивлений самих рельсовых нитей [4]. Однако этот способ весьма трудоемок. И без знания величины сопротивления каждой рельсовой нити по отношению к земле диагностика причин появления повышенной асимметрии переменного тягового тока невозможна.
Целью изобретения является обеспечение возможности определения, при повышенной асимметрии переменного тягового тока в рельсовой цепи, выход сопротивления каких элементов рельсовых нитей из поля допуска вызвал данное повышение.
Это достигается тем, что при превышении коэффициентами асимметрии тягового тока их допускаемого значения в начале и/или конце рельсовой цепи дополнительно вычисляют степень уменьшения тягового тока в рельсовых нитях делением величины тягового тока в начале соответствующей рельсовой нити на величину тягового тока в ее конце, а затем сравнением численных значений этих степеней уменьшения тягового тока с характером его асимметрии по концам рельсовой цепи делают заключение о причинах появления повышенной асимметрии тягового тока - если степень уменьшения тягового тока в рельсовых нитях примерно одинакова, а тяговый ток больше в одной из рельсовых нитей в начале и в конце рельсовой цепи, то причиной асимметрии является повышенное сопротивление рельсовых стыковых соединителей в другой рельсовой нити; если же тяговый ток больше втекает в рельсовую нить, к которой подключены цепи заземления опор контактной сети и других конструкций, и быстрее в ней уменьшается, то причиной асимметрии является пониженное сопротивление цепей заземления, а если при этом степень уменьшения тягового тока такова, что в конце рельсовой нити, к которой подключены цепи заземления, тяговый ток оказывается меньше, чем в другой нити, то асимметрия вызывается дополнительно и повышенным сопротивлением рельсовых стыковых соединителей в другой рельсовой нити; и если тяговый ток меньше и в начале, и в конце рельсовой нити, к которой подключены цепи заземления, при более высокой степени уменьшения тягового тока в ней, то причиной асимметрии тягового тока является совместное повышенное сопротивление рельсовых стыковых соединителей и пониженное сопротивление цепей заземления в этой рельсовой нити.
На чертеже показана, для пояснения сущности разработанного способа, схема рельсовой цепи с элементами электрического сопротивления рельсовых нитей, где указаны также измеряемые напряжения.
Рельсовые нити 1 и 2 рельсовой цепи ограничены электрически изолирующими стыками 3, 4 в ее начале и 5, 6 в ее конце. Дроссель-трансформаторы 7 и 8 обеспечивают протекание тяговых токов в обход изолирующих стыков 3 и 4, а дроссель-трансформаторы 9 и 10 обеспечивают протекание тяговых токов в обход изолирующих стыков 5 и 6.
Рельсовая линия - это электрическая длинная линия с распределенными параметрами, поэтому на чертеже она показана в виде четырехполюсника 11, в котором рельсовые нити представлены как последовательное соединение Г-образных элементов. У рельсовой нити 2, к которой подключены цепи заземления опор контактной сети и других конструкций, Г-образный элемент включает в себя сопротивление 12 - суммарное сопротивление рельсов и сопротивление рельсовых стыковых соединителей, а также сопротивление рельсов по отношению к земле 13 и эквивалентное сопротивление цепей заземления 14. Г-образный элемент другой рельсовой нити включает в себя суммарное сопротивление рельсов с сопротивлениями рельсовых стыковых соединителей 15, а также сопротивление рельсов по отношению к земле 16. Величины тяговых токов, втекающих в рельсовые нити 1 и 2 в начале рельсовой цепи, обратно пропорциональны входным сопротивлениям соответственно 17 и 18 этих рельсовых нитей,
В процессе эксплуатации сопротивления рельсовых стыковых соединителей увеличиваются, отчего растут сопротивление 15 у элементов рельсовой нити 1, а также сопротивление 12 у элементов рельсовой нити 2 (продольные сопротивления рельсовых нитей). В результате растут и входные сопротивления этих нитей соответственно 17 и 18. Причем темп роста во времени продольных сопротивлений у разных рельсовых нитей обычно неодинаков, что вызывает появление асимметрии входных сопротивлений рельсовых нитей и появление соответствующей асимметрии тягового тока в начале рельсовой цепи.
Если цепи заземления подключаются к рельсовой нити 2 без искровых промежутков, то даже при исправных цепях заземления утечка переменного тягового тока в землю при талом грунте из этой рельсовой нити больше, чем их рельсовой нити 1, и величины тяговых токов, стекающих из рельсов в землю, в разных рельсовых нитях неодинаковы (поперечная асимметрия).
<mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>I</mi><mo>″</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>Н</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>I</mi><mo>″</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>I</mi><mo>′</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow>
Если цепи заземления подключаются к рельсовой нити 2 через искровые промежутки, то величина сопротивления 14 у ее Г-образных элементов близка к бесконечности и сопротивления рельсовых нитей 1 и 2 относительно земли различаются мало. В случаях, когда происходит пробой искровых промежутков, состояние которых в настоящее время не контролируется, утечка тягового тока из рельсовой нити 2 через цепи заземления заметно возрастает. В результате уменьшается входное сопротивление 18, растет ток
и появляется асимметрия тягового тока в начале рельсовой цепи. В такой ситуации переменный тяговый ток больше втекает в начало рельсовой нити 2, но и больше из нее стекает в землю. Поэтому в зависимости от величины сопротивления цепей заземления 14 величина тягового тока
в конце рельсовой нити 2 может быть или больше, или меньше величины тягового тока
в конце рельсовой нити 1. Таким образом, в зависимости от соотношения величин сопротивлений 12, 13, 14 и 15, 16 у Г-образных элементов рельсовых нитей соответственно 2 и 1 меняются величина и характер асимметрии переменного тягового тока в начале и конце рельсовой цепи.
<mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>U</mi><mo>″</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>Н</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>U</mi><mo>′</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>U</mi><mo>″</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow>
В соответствии с предлагаемым способом измеряются падения напряжения
и
на секциях основной обмотки дроссель-трансформатора, установленного в начале рельсовой цепи, а также падения напряжения
и
на секциях основной обмоток дроссель-трансформатора, установленного в конце рельсовой цепи. За начало рельсовой цепи по тяговому току считается ее конец, где переменный тяговый ток втекает в рельсовую линию рельсовой цепи и где он, следовательно, максимален.
По результатам измерений производят следующие вычисления, имея в виду, что в общем случае на концах рельсовой цепи могут быть установлены дроссель-трансформаторы разного типа.
Используя закон Ома, вычисляют тяговые токи:
- в начале рельсовой цепи в рельсовой нити, к которой подключаются цепи заземления опор контактной сети и других конструкций
<mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>I</mi><mo>″</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>Н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>U</mi><mo>″</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>Н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>0,5</mn><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>Т</mi><mi>Н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
и в ее конце
<mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>I</mi><mo>″</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>U</mi><mo>″</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>0,5</mn><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
в начале другой рельсовой нити
и в ее конце
ДТН
ДТК
где Z и Z - сопротивления основных обмоток дроссель-трансформаторов, установленных соответственно в начале и в конце рельсовой цепи.
Затем вычисляют численные значения асимметрии тягового тока в начале рельсовой линии
и в ее конце
Вычисляют величины коэффициентов асимметрии тягового тока в начале рельсовой цепи
и в ее конце
Вычисляют степень уменьшения величины тягового тока по длине рельсовой нити 1
<mrow><mover accent="true"><mi>δ</mi><mo>˙</mo></mover><msub><msup><mi>I</mi><mo>′</mo></msup><mi>Т</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>I</mi><mo>′</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>Н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><msup><mi>I</mi><mo>′</mo></msup><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
и по длине рельсовой нити 1
<mrow><mover accent="true"><mi>δ</mi><mo>˙</mo></mover><msub><msup><mi>I</mi><mo>″</mo></msup><mi>Т</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><msup><mi>I</mi><mo>″</mo></msup><mrow><mi>Т</mi><mi>Н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><msup><mi>I</mi><mo>″</mo></msup><mrow><mi>Т</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>.                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Используя полученные по результатам проведенных измерений и вычислений данные, вырабатывают заключение о причинах появления повышенной асимметрии тягового тока. Если степень уменьшения тягового тока в рельсовых нитях примерно одинакова, а тяговый ток больше в начале и в конце одной из рельсовых цепей, то причиной асимметрии тягового тока является повышенное сопротивление рельсовых стыковых соединителей в другой рельсовой нити. Если тяговый ток больше втекает в рельсовую нить, к которой подключены цепи заземления, и быстрее в ней уменьшается, то причиной асимметрии является пониженное сопротивление цепей заземления. Если степень уменьшения тягового тока такова, что в конце рельсовой нити, к которой подключены цепи заземления, оказывается меньше, чем в другой нити, то асимметрия вызывается дополнительно и повышенным сопротивлением рельсовых стыковых соединителей в другой рельсовой нити. Если тяговый ток меньше и в начале, и в конце рельсовой нити, к которой подключены цепи заземления, при более высокой степени уменьшения тягового тока в ней, то причиной асимметрии тягового тока является совместное повышенное сопротивление рельсовых стыковых соединителей и пониженное сопротивление цепей заземления в этой рельсовой нити.
Актуальность решения данной задачи определяется тем, что интенсивность сбоев в работе рельсовых цепей и АЛСН на участках с электротягой переменного тока в 4-5 раз выше, чем на участках с электротягой постоянного тока [5]. Одной из основных причин этого является повышенная асимметрия переменного тягового тока, особенно на участках с тяжеловесным движением, на горных участках и в зонах, примыкающих к месту подключения к обратной тяговой рельсовой сети отсасывающих линий тяговых подстанций.
Таким образом, предложенный способ позволяет использованием нескольких дополнительных несложных вычислительных операций раздельно диагностировать состояние электрического сопротивления элементов рельсовых линий и тем самым определять причину появления повышенной асимметрии переменного тягового тока в рельсовых нитях рельсовой цепи. Предложенный способ, по сути, является способом неразрушающего контроля состояния электрического сопротивления элементов в рельсовых линиях.
Эксперименты в условиях эксплуатации, а также компьютерные эксперименты с использованием предложенного способа по диагностированию состояния электрического сопротивления рельсовых линий в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока подтвердили достоверность получаемых результатов диагностики.
Источники информации
1. Устройства СЦБ. Технология обслуживания. - М.: Транспорт, 1984. - 151 с.
2. Дмитренко И.Е., Дьяков Д.В., Сапожников В.В. Измерения и диагностирование в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. - М.: Транспорт, 1994. - 263 с.
3. Шаманов В.И. Помехи и помехоустойчивость автоматической локомотивной сигнализации. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2005. - 236 с.
4. Шаманов В.И., Мухамеджанов К.С. и др. Устройство для измерения сопротивления малой величины. А.с. на изобретение №1798729. (СССР). Бюллетень изобретений, 1993, №8. С.145-146.
5. Шаманов, В.И. Уровень устойчивости работы АЛСН при электротяге переменного тока // Автоматика, связь, информатика. 2010. - №8. - С.6-10.