УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗЛОМА РЕЛЬСОВ НА УЧАСТКАХ С ЭЛЕКТРОТЯГОЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR MONITORING RAIL BREAKAGE IN SECTIONS WITH AC ELECTRIC TRACTION

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и обеспечивает автоматический контроль излома рельсов на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе.
Известно устройство диагностики состояния электрического сопротивления рельсовых линий в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока [1]. Это устройство позволяет автоматически диагностировать состояние электрического сопротивления рельсовых нитей и их сопротивления по отношению к земле в пределах рельсовой цепи, оборудованной дроссель-трансформаторами. Однако это устройство не обеспечивает автоматический контроль излома рельсов.
Проблема обнаружения и передачи сообщений об изломах рельсов приобретает на железных дорогах мира все большее значение [2]. Автоматический контроль излома рельсов в настоящее время на железнодорожных линиях, оборудованных рельсовыми цепями, осуществляется использованием контрольного режима их работы. Это ответственный режим работы, расчеты которого и регулировка рельсовой цепи для выполнения найденных требований отличаются относительной сложностью. Кроме того, этот режим достоверно работает при полном отсутствии электрического контакта между кусками рельса в месте его излома. Если такой контакт остается, то путевой приемник может не среагировать на появившийся излом рельса [3].
Строгость выполнения шунтового режима рельсовой цепью в условиях ее эксплуатации проверяется периодически. Проверка того, выполняется ли в этой рельсовой цепи контрольный режим, не проводится из-за сложности организации такого контроля.
Именно контрольный режим работы рельсовых цепей ограничивает их длину. К тому же излом рельсов происходит обычно при движении поезда по рельсовой цепи, «под колесами», когда рельсовая цепь зашунтирована колесными парами поезда и сигнальный ток не проходит в ее путевой приемник.
Интенсивность движения поездов наиболее высока на электрифицированных участках железных дорог. На таких участках все шире используется движение тяжеловесных и удлиненных поездов. Поэтому механические нагрузки на верхнее строение пути на таких участках больше и, следовательно, больше вероятность излома рельсов. Тяжелее на таких участках и последствия от аварий и крушений, если излом рельсов не будет своевременно обнаружен.
На электрифицированных участках железных дорог рельсовые нити рельсовых линий используются для пропуска тяговых токов от электровозов к тяговым подстанциям. Реакция растекания тягового тока по рельсовым нитям рельсовой линии на излом рельса может использоваться для контроля наступления этого события.
Тяговый ток электровоза растекается по рельсовой линии в обе стороны от него [4]. Если излом рельса происходит при отсутствии подвижного состава в пределах рельсовой цепи, то сопротивление рельсовой нити, в которой произошел излом, резко увеличивается и тяговый ток в этой рельсовой нити скачкообразно уменьшается, что вызывает скачкообразное увеличение асимметрии тягового тока в рельсовой линии на обоих концах рельсовой цепи. Количественно асимметрия тягового тока измеряется коэффициентом его асимметрии, вычисляемым как отношение разности тяговых токов в рельсовых нитях рельсовой линии к их сумме.
Колесные пары подвижного состава выравнивают тяговые токи в рельсовых нитях под ним. Поэтому если излом рельса произошел под подвижным составом, то скачек асимметрии тягового тока возникает сначала в освобождающейся от подвижного состава части рельсовой линии, когда последняя колесная пара подвижной единицы или поезда уходит за точку излома рельса. На выходном конце рельсовой цепи величина асимметрии тягового тока изменяется скачком, когда последняя колесная пара поезда или подвижной единицы освобождает рельсовую цепь.
Таким образом, скачкообразное изменение асимметрии тягового тока на концах рельсовых цепей может служить сигналом об изломе рельса в их пределах. Следовательно, непрерывный контроль не только величины, но и скорости изменения во времени асимметрии тягового тока на концах рельсовых цепей может обеспечить контроль излома рельсов на участках с электротягой переменного тока в дополнение к контрольному режиму рельсовой цепи или взамен него.
Коэффициент асимметрии тягового тока увеличивается относительно медленно при ухудшении состояния токопроводящих и изолирующих элементов рельсовых нитей, а также при уменьшении температуры рельсов или величины тягового тока в них [5]. Такие изменения не должны давать ложную информацию об изломе рельса. Мощные импульсные электромагнитные помехи могут вызвать кратковременное увеличение коэффициента асимметрии тягового тока [4]. В таких случаях также не должна появляться ложная информация об изломе рельса.
Целью изобретения является обеспечение возможности автоматического контроля излома рельсов в пределах рельсовой цепи, оборудованной дроссель-трансформаторами, на участках с электротягой переменного тока.
Цель достигается тем, что оно дополнительно снабжено дифференцирующим устройством, элементом задержки и блоком фиксации излома рельса, причем делитель напряжения одним входом соединен с выходом элемента сравнения и вторым входом соединен с выходом сумматора; выходной сигнал делителя напряжения подается на первый вход логического элемента И через первый пороговый элемент, а на второй вход логического элемента И подается через последовательно соединенные дифференцирующее устройство, элемент задержки и второй пороговый элемент; выход логического элемента И подключен к блоку фиксации излома рельса.
На рисунке приведена блок-схема патентуемого устройства и схема его подключения к дроссель-трансформаторам.
Предлагаемое устройство должно подключаться к дроссель-трансформаторам на обоих концах рельсовых цепей. На рисунке показана блок-схема одного такого устройства и схема его подключения к рельсовой цепи. В тексте детально описана его структура и работа.
T1
T3
T2
T4
Объект контроля и измерительные цепи включают в себя следующее. Рельсовые нити 1, 2 и 3, 4 рельсовой линии разделены электрически на границах рельсовых цепей изолирующими стыками соответственно 5 и 6. Дроссель-трансформаторы 7 и 8 обеспечивают протекание тяговых токов в рельсовых линиях в обход изолирующих стыков 5 и 6. К дополнительным обмоткам дроссель-трансформаторов 7 и 8 подключена аппаратура соответствующих рельсовых цепей 9 и 10. Тяговые токи I и I в рельсовых нитях соответственно 1 и 3 до изолирующих стыков не равны по величине соответственно тяговым токам I и I в рельсовых нитях 2 и 4 после изолирующих стыков.
T4
T2
Падения напряжения на секциях основных обмоток дроссель-трансформаторов прямо пропорциональны величинам тяговых токов, текущих в концах соответствующих рельсовых нитей рельсовой цепи. Для измерения тягового тока I, текущего по рельсовой нити 4, к нижней на рисунке секции основной обмотки дроссель-трансформатора 8 подключена первичная обмотка измерительного трансформатора 11. Для измерения тягового тока I, текущего по рельсовой нити 2, к другой секции основной обмотки дроссель-трансформатора 8 подключена первичная обмотка измерительного трансформатора 12.
Вторичная обмотка измерительного трансформатора 12 подключена к входу выпрямительного элемента 13, а вторичная обмотка измерительного трансформатора 12 подключена к входу выпрямительного элемента 14. Выходной сигнал выпрямительного элемента 13 подаются на одни входы элемента сравнения 15 и сумматора 16, на вторые входы которых подаются сигналы с выхода выпрямительного элемента 14.
Выход элемента сравнения 15 соединен с одним входом делителя напряжений 17, а выход элемента сравнения 16 соединен с другим входом делителя напряжений 17. Величина выходного сигнала делителя напряжений 17 пропорциональна текущему значению коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовых нитях 2 и 4.
Выходной сигнал делителя напряжений 17 подается на вход первого порогового элемента 18, а через дифференцирующее устройство 19 и элемент задержки 20 подается также на вход второго порогового устройства 21. Выходные сигналы пороговых устройств 18 и 21 подаются на входы логического элемента И 22, выход которого подключен к блоку фиксации излома рельса 23.
Устройство работает следующим образом.
T4
T2
Напряжения сигналов на вторичных обмотках измерительных трансформаторов 11 и 12 пропорциональны величинам тяговых токов соответственно I и I. Напряжение с выхода измерительного трансформатора 11 после его выпрямления элементом 14 подается на вторые входы элемента сравнения 15 и сумматора 16. Напряжение с выхода измерительного трансформатора 12 после его выпрямления элементом 13 подается на первые входы элемента сравнения 15 и сумматора 16.
T2
T4
T2
T4
Сигнал с выхода элемента сравнения 15, пропорциональный разности тяговых токов I и I в рельсовых нитях соответственно 4 и 2, подается на первый вход делителя напряжения 17, на второй вход которого подается сигнал с выхода сумматора 16, пропорциональный сумме тяговых токов I и I. Сигнал на выходе делителя напряжения 17 пропорционален величине коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовых нитях 2 и 4.
Пороговый элемент 18 настраивается на определенную пороговую величину коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовых нитях 2 и 4. Сигнал на его выходе, подаваемый на первый вход логического элемента И 22, появляется тогда, когда величина этого коэффициента превышает установленное пороговое значение.
Исключение ложных срабатываний устройства при медленных изменениях асимметрии тягового тока в рельсовой цепи или при появлении в ней мощных импульсных помех обеспечивает вторая цепь передачи сигнала с выхода делителя напряжений 17 на второй вход логического элемента И 22.
Сигнал на выходе дифференцирующего устройства 19 пропорционален скорости изменения сигнала на выходе делителя напряжения 17, т.е. пропорционален скорости изменения коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовой цепи. При медленных изменениях коэффициента асимметрии тягового тока выходной сигнал дифференцирующего устройства 19 оказывается недостаточным для срабатывания второго порогового элемента 21.
Появление в рельсовой цепи асимметрии тягового тока от мощной импульсной помехи вызывает появление сигнала на первом входе логического элемента И, а также может вызвать появление на выходе дифференцирующего устройства 19 сигнала, достаточного для срабатывания второго порогового элемента 21. Однако время задержки сигнала, появляющегося на выходе дифференцирующего устройства 19, элементом задержки 20 выбирается больше максимально возможной длительности импульсной помехи. В результате сигнал с выхода второго порогового элемента 21 подается на второй логического элемента И, когда на первом его входе сигнал уже исчезает.
При одновременном появлении сигналов с выходов пороговых элементов 18 и 21 на входе логического элемента И 22 на его выходе появляется сигнал, вызывающий срабатывание блока фиксации излома рельса 23, который выдает обслуживающему персоналу визуальную информацию об изломе рельса и формирует сигнал об этом в систему автоматического контроля и удаленного мониторинга.
Актуальность решения данной задачи определяется тем, что проблема обнаружения и передачи сообщений об изломах рельсов приобретает все большее значение как на железных дорогах России, так и на железных дорогах всего мира.
Таким образом, предложенное устройство позволяет использованием достаточно простых технических решений автоматизировать процесс контроля излома рельсов на участках с электрической тягой.
Проведенные в условиях эксплуатации исследования и математическое моделирование процессов растекания переменных тяговых токов по рельсовой сети показали, что рассмотренные изменения растекания тяговых токов по рельсовым нитям рельсовой линии обеспечивают получение достоверной информации об изломе рельса.
Анализ схемы устройства с использованием компьютеров, а также испытания лабораторного макета предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и достоверность результатов контроля.
Источники информации
1. Балуев Н.Н., Шаманов В.И. Устройство диагностики состояния электрического сопротивления рельсовых линий в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока / Патент РФ на изобретение №2529564 от 27.09.2014 г.
2. Поинтнер Ф. Системы обнаружения поездов: краткий обзор // Будущее систем обнаружения поездов. Материалы форума «Wheel Detections Выпуск 01.2018. С. 7-10. www.frauscher.com.
3. Аркатов B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. - М.: Транспорт, 1990. - 295 с.
4. Шаманов В.И. Электромагнитная совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики. - М: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. - 244 с.
5. Шаманов В.И. Циклы изменения устойчивости работы аппаратуры автоматики на участках с электротягой // Наука и техника транспорта, 2018, №1. С. 50-57.