Измерения, контроль и диагностика параметров рельсовых цепей

Шаманов В.И., Суров В.П.

УДК 656.259.12

ИЗМЕРЕНИЯ, КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ

Рельсовые линии на электрифицированных магистральных железных дорогах используются не только как каналы передачи сигналов рельсовых цепей (РЦ) и автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного типа (АЛСН), но также и как обратная тяговая рельсовая сеть и как распределенный заземлитель. Требования к электрическим параметрам рельсовых линий по условиям работы этих систем различны. Для РЦ и АЛСН наиболее существенными из электрических параметров рельсовых линий являются сопротивления токопроводящих и изолирующих элементов, а также величина асимметрии тягового тока.

Тяжелые условия эксплуатации рельсовых линий как каналов передачи сигнальных токов определяют относительно невысокую надежность этих каналов. Распределенность в пространстве и большое количество разнообразных элементов в рельсовых линиях затрудняет их техническую эксплуатацию, локализацию места отказа и диагностику причин отказов. Техническое обслуживание рассматриваемых элементов требуют высокой квалификации работников, занимает относительно много времени, а отказы приводят к сбоям в движении поездов и ухудшают безопасность их движения. Все это определяет актуальность разработки способов и устройств контроля и диагностики состояния элементов рельсовых линий, существенно влияющих на надежность и устойчивость работы РЦ и АЛСН.

Электрическое сопротивление рельсовых нитей меняется от изменения сопротивления токо-проводящих рельсовых стыков. По действующим требованиям токопроводящие стыки не должны увеличивать сопротивление рельсовой нити больше, чем на 20%. Тогда при длине рельсов 25 метров сопротивление токопроводящего стыка не должно быть больше сопротивления шестиметрового отрезка рельса. Сопротивление одного метра рельса типа Р65 на частоте 50 Гц составляет 0,8 мОм, а для постоянного тока - 0,028 мОм. Следовательно, сопротивление токопроводящего стыка

не должно превышать 4,8 мОм на частоте 50 Гц и должно быть меньше 0,168 мОм для постоянного тока. Массовое измерение сопротивлений такой малой величины в условиях эксплуатации затруднительно. Разработанные для этой цели приборы не нашли широкого применения из-за неудобства пользования ними.

Для измерения сопротивления малой величины в условиях эксплуатации был разработан «способ двух вольтметров» [1]. При измерениях сопротивления токопроводящих рельсовых стыков на электрифицированных железнодорожных линиях в соответствии с этим способом требуется измерение падения напряжений от тока в рельсовой нити на токопроводящем стыке IIт и на отрезке рельса Ц фиксированной длины 10 (рис. 1).

* ио *

Ч' о о о о «-/>/< (

«-/о-»

Рис. 1. Способ двух вольтметров

С учетом того, что по рельсовым нитям протекают постоянно как сигнальный 1с, так и тяговый 1т токи, падение напряжения на токопроводящем стыке ит и на отрезке рельса фиксированной длины Ц

и =(I +1 )2 ;

ст \ т с / ст' Ц =

где 2ст - сопротивление токопроводящего стыка,

Ом;

zp - удельное сопротивление рельсов, Ом/м; 10 - длина отрезка в метрах, на котором измеряется падение напряжения Ц

При 10 = 1 м условие, что сопротивление то-копроводящего стыка 2ст не превышает указанное предельно допускаемое значение его величины

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

и „

(1Т +I ) 2

у Т с у с>

ви о

6 г

•< 1.

6 (¡т + 1с) гр

Требуемые измерительные и вычислительные операции очень просты, поэтому способ очень удобен при ручном контроле состояния изолирующих рельсовых стыков и при измерении относительной величины их сопротивления. Способ вошел в инструкцию [2] и широко используется эксплуатационным штатом на электрифицированных железнодорожных линиях. Поскольку падение напряжения на одном метре рельса может составлять единицы милливольт, при ручном измерении этого напряжения должны использоваться достаточно чувствительные приборы, например, мультиметры типа АРРА 301.

Способ был использован в изобретениях [3, 4]. Устройства по этим изобретениям, имея очень простую схему измерительного преобразователя, обеспечивают возможность и измерять, и контролировать в производственных условиях предельно допустимые значения токопроводящих стыков или любых других сопротивлений малой величины.

В токопроводящих рельсовых стыках 2 на электрифицированных участках железных дорог ток I протекающий по рельсам 1, проходит по

трем цепям: ток 1н - по рельсовым накладкам 3, ток 1сс1 - по основным приварным соединителям 4 и ток 1сс 2 - по дублирующим штепсельным стыковым соединителям 5 (рис. 2). Запатентованный способ [5] позволяет определить, сопротивление какой из этих трех цепей превышает допустимую величину.

X

А

О о о^о о о

А.

Рис. 2. Диагностика состояния элементов токопроводяще-го рельсового стыка

В соответствии с этим способом предварительно по справочным данным находят численное значение удельного сопротивления рельсов гр, измеряемого в Ом/м, и в соответствии с типами применяемых основного 4 и дублирующего 5 рельсовых стыковых соединителей задаются нормативными относительными значениями распределения тока в рельсе I по элементам токопро-

водящего стыка: к'Н = 1Н/ 1р - относительное нор-

мативное значение тока в накладках; ксис1 = 1сс1/ 1р - относительное нормативное значение тока в основном стыковом соединителе; кНс2 = /сс2/ 1р -

относительное нормативное значение тока в резервном стыковом соединителе.

Затем измеряют падение напряжения ис на стыке 2 и падение напряжения ио на отрезке сплошного рельса длинной один метр, а также токи 1сс1 - в основном стыковом рельсовом соединителе 4 и 1сс 2 - в дублирующем стыковом рельсовом соединителе 5. Ток 1н в накладках 3 находится затем по результатам вычислений.

По результатам измерений вычисляют ток в рельсе:

1р = и1о/гр .

Тогда относительные фактические значения токов в основном и в дублирующем рельсовых соединителях, а также в накладках:

I , • г I 2 • г

1 н _ сс1 р . 7 н _ сс2 р . к„„1 = : ; к„„п =

ио

ио

К = р

(1сс1 1 с 2 ) (Кс1 + ^сс2 ) -:-= 1--:-

I.. ип

• г„

'р ^о

Вычисленные относительные значения токов в элементах рельсового стыка сравнивают с их соответствующими нормативными значениями. Неисправным считается тот элемент, фактическое относительное значение тока в котором меньше нормативного, то есть фактическое электрическое сопротивление которого больше нормативного.

Этот способ, являясь, по сути, способом не-разрушающего контроля состояния элементов рассматриваемых стыков, позволяет использованием нескольких дополнительных к способу двух вольтметров измерительных и вычислительных операций диагностировать состояние элементов рельсового токопроводящего стыка.

Способ позволяет, например, контролировать качество приварки стыковых соединителей или выбраковывать медные соединители, у которых в процессе эксплуатации за счет электрохимической коррозии увеличилось сопротивление переходов между стальными манжетами и медным проводом соединителя. Способ позволяет также выявлять стыки с повышенным сопротивлением в рельсовых накладках.

Измерительный преобразователь, позволяющий реализовать совместно рассматриваемый способ диагностирования и способ двух вольтметров, запатентован в устройстве [6 ].

и

1

р

I

1

м

2

Известные методы и приборы для измерения или контроля сопротивления изолирующих стыков и элементов изоляции в стрелочных переводах основаны на использовании генераторов специального испытательного сигнала, селективный контроль которого позволяет рассматривать РЦ как пассивный многополюсник. При этом возникает проблема разработки устройств, обеспечивающих измерение параметров двухполюсной цепи без нарушения целостности сложных цепей, в состав которых входит двухполюсник, сопротивление которого надо найти. Результаты контроля должны быть инвариантны по отношению к неконтролируемым параметрам сложной цепи.

В ряде технических решений проблема инвариантности преобразования контролируемого параметра в унифицированный сигнал решалась за счет использования синусоидального сигнала ультразвуковой частоты в качестве испытательного при измерении сопротивления стыков методом амперметра и вольтметра. Разработан также прибор для контроля состояния изолирующих стыков, где в качестве испытательного тока использованы импульсы разряда конденсатора.

Однако такие приборы не могут обеспечить достаточную достоверность контроля. Сопротивление изолирующих стыков меняется от нуля до тысяч Ом, но для практических целей наиболее интересен диапазон от 5 до 200 Ом в районе минимально допускаемых нормируемых значений 30-50 Ом. В то же время сопротивление обходных цепей для испытательного тока даже ультразвуковой частоты меняется в зависимости от сопротивления изоляции РЦ в пределах от нескольких тысяч Ом до 20-40 Ом в РЦ без дроссель-трансформаторов и до 10-30 Ом в РЦ с дроссель-трансформаторами.

Выполненный анализ показал следующее. При использовании прибора для измерения или контроля сопротивления изолирующих стыков в диапазоне от 0 до 60 Ом с измерительным генератором, работающим на частоте 80 кГц, относительная методическая погрешность измерения не более 10% получается только при сопротивлении изоляции рельсовой линии порядка 100 Ом-км в РЦ переменного тока без дроссель-трансформаторов. Следовательно, простой выбор повышенной частоты испытательного сигнала рассматриваемую проблему отстройки от обходных цепей не решает.

Методы топологического синтеза активных электрических цепей позволяют решить рассматриваемую проблему инвариантности при использовании прямых методов измерения токов и на-

пряжений в узлах проверяемой многополюсной электрической цепи с последующей обработкой сигналов в измерительных преобразователях.

Подключение генератора испытательного сигнала ультразвуковой частоты по одну сторону от контролируемого изолирующего стыка между рельсом и заземлителем и измерение тока генератора, его напряжения и падения напряжения испытательного сигнала на изолирующем стыке позволяет контролировать состояние стыка с использованием простого измерительного преобразователя [7]. Однако область применения этого метода ограничена только рельсовыми цепями без дроссель-трансформаторов, в которых входное сопротивление аппаратуры того конца РЦ, где подключается испытательный генератор, заметно больше входного сопротивления аппаратуры смежной РЦ, подключенной за изолирующим стыком. Ограничение это вызвано зависимостью результатов контроля от сопротивления другого изолирующего стыка из пары рассматриваемых стыков.

Существенно повысить точность измерения сопротивления изолирующих стыков при подключении испытательных сигналов по разные стороны контролируемого стыка можно за счет бесконтактного измерения в рельсе обоих составляющих тока измерительного генератора - через стык и через обходные цепи [6]. Погрешность измерения определяется при этом точностью преобразования величин этих токов в пропорциональные им сигналы на выходе датчиков тока, из которых в настоящее время наиболее чувствительны индуктивные элементы. Наибольшая точность измерения сопротивления изолирующих стыков в требуемом диапазоне обеспечивается в диапазоне изменения соотношения величин измерительных токов через стык и через обходные цепи от 0,1 до 10.

В соответствии с этим изобретением напряжение измерительного генератора иг подается на рельсы 1 и 2 по разные стороны измеряемого изолирующего стыка 3 (рис. 3). Часть тока измерительного генератора 1Г протекает через изолирующий стык 1с , а другая часть 10 течет через обходные цепи. Одна составляющая тока 10 течет в обход изолирующего стыка через половины основных обмоток дроссель-трансформаторов 4 и 5 - ток 1т а другая часть этого тока I течет через

сопротивления рельсовых нитей 1 и 2 по отношению к земле.

4 5

Рис. 3. Схема измерения сопротивления изолирующих стыков

ЭДС ес и е0 на выходе измерительных катушек 6 и 7 пропорциональны токам соответственно I с и 10. При одинаковой конструкции измерительных катушек

ес = К1С, ео = Ко,

где К - одинаковые коэффициенты передачи по каналам 1с - ес и 10 - е0.

Напряжение на выходе измерительного преобразователя получается по результатам следующих вычислений с учетом того, что 1С + /с = 1Г

и, = Чг.

иГ иг К10 иГ

Чг 1Г

I,

-+1

Чт. к

1г К1С 1о +1

I,

,Чг /

Следовательно, напряжение на выходе измерительного преобразователя пропорционально напряжению изолирующего стыка.

Из-за геометрических требований к построению прибора для измерения сопротивления изолирующих стыков его измерительные катушки располагаются на небольшом расстоянии друг от друга. В результате этого ЭДС на выходе каждой катушки содержит также паразитную составляющую, наведенную током, протекающим под другой катушкой.

Уменьшить методическую погрешность измерения сопротивления изолирующих стыков можно использованием дополнительной контрольной информации для компенсации влияния на результаты измерений рассмотренных перекрестных помех. Получить эту информацию позволяют два компенсационных датчика, устанавливаемых в дополнение к основным измерительным датчикам. Путем несложных преобразований выходных сигналов датчиков обеспечивается исключение влияния рассматриваемых помех на результаты измерения [9].

Достаточно точное измерение сопротивления как токо проводящих, так и изолирующих элементов рельсовой линии обеспечивает способ по авторскому свидетельству на изобретение [10] за счет компенсации измерительным преобразовате-

лем сигналов, пропорциональных падениям напряжения на всех сопротивлениях двух идентичных контуров для измерительных токов, кроме падения напряжения на измеряемом сопротивлении. Измерительные токи в контурах могут различаться частотой или они могут быть разными полуволнами выпрямленного напряжения одной частоты.

В кодовых РЦ достоверный контроль состояния изолирующих стыков обеспечивается за счет измерения уровней помех в интервалах собственных кодовых комбинаций [11]. Схема такого датчика монтируется в стандартном корпусе реле типа НМШ-1, и получаемая информация может использоваться как в виде визуального сигнала для обслуживающего персонала, так и в системах удаленного контроля и мониторинга.

Асимметрия тяговых токов в рельсовых линиях является источником помех на работу как локомотивных приемников АЛСН, так аппаратуры РЦ. Величину токов асимметрии в настоящее время можно измерять только в дроссельных перемычках с использованием токовых клещей, то есть только в рельсовых цепях, разделяемых изолирующими стыками, в местах установки дроссель-трансформаторов.

Как показали проведенные исследования, асимметрия тягового тока под приемными локомотивными катушками меняется при движении поезда даже по рельсовой линии с неизменными по её длине продольным и поперечным сопротивлениями по мере приближения головного электровоза поезда к месту установки аппаратуры, подающей в рельсовые линии кодовые сигналы АЛСН. Реальные рельсовые линии отличаются неоднородностью продольных и поперечных сопротивлений по их длине. Поэтому изменение рассматриваемой асимметрии при движении поезда носит псевдостохастический характер. При выяснении причин неустойчивой работы систем АЛСН часто возникает необходимость определения величины асимметрии тягового тока на том отрезке рельсовой линии, где фиксируется повышенное количество сбоев. Измерять величину асимметрии тягового тока в любой точке рельсовой линии дает возможность запатентованное устройство [12].

Все разработанные устройства контроля и диагностики требуют использования в них измерительных преобразователей. В опытных образцах приборов, успешно испытанных в условиях эксплуатации Транссибирской магистрали и Казахстана, применялись измерительные преобразователи на микроэлектронной базе.

Основным недостатком универсального измерительного прибора с измерительным преобразователем на микроэлектронной элементной базе

является то, что расширение его функциональных возможностей требует усложнение схемы прибора, так как каждый новый измерительный канал требует добавления функциональных элементов. Например, схема индикатора состояния токопро-водящих и изолирующих стыков в рельсовых цепях, разработанного на кафедре «Автоматика и телемеханика» ИрГУПСа с использованием авторских свидетельств на изобретение [4, 7], содержит семь микросхем. Добавление к нему, например, канала для диагностики состояния элементов токопроводящих стыков по патенту [12] требует схемной реализации еще двух десятков функциональных элементов. Поэтому более рациональным является применение в таких приборах микропроцессорной базы.

Использование рассматриваемых изобретений дает возможность разработать универсальный измерительный прибор электромеханика СЦБ, включающий в себя все функции по контролю и диагностике параметров рельсовых цепей. Изобретения обеспечивают также возможность разработки и массового выпуска более простого варианта прибора, необходимого, прежде всего, работникам дистанций пути, обслуживающих рельсовые цепи, и обеспечивающего получение, например, только три вида визуальных сигналов о состоянии контролируемых элементов: «исправен», «предотказ», «отказ».

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Шаманов В. И. Измерение параметров рельсовых цепей Автоматика, телемеханика и связь. 1993. № 8. С. 33-34.

2. Инструкция по защите железнодорожных подземных сооружений от коррозии блуждающими токами / М-во путей сообщ. РФ. М. : Трансиздат, 1999. 128 с.

3. А. с. 1798729 СССР, МКИ5 А1 5 в 01 Я 27/00. Устройство для измерения сопротивления малой величины / Шаманов В. И., Мухамеджанов К. С., Михалдык В. П. ; заявитель Алма-Атин. ин-т инж. ж.-д. трансп. (СССР) ; заявл. 16.07.90, №. 4851793 ; опубл. 28.02.93, Бюл. № 8. 5 с. : ил.

4. А. с. 1792861 СССР, МКИ5 А1 5 в 01 Я 27/00. Стыкоизмеритель для электрифицированных железнодорожных линий / Шаманов В. И., Мухамеджанов К. С., Михалдык В. П. ; заявитель Алма-Атин. ин-т инж. ж.-д. трансп. (СССР) ; заявл. 16.07.90, №. 4851793 ; опубл. 28.02.93, Бюл. № 5. - 5 с. : ил.

5. Пат. 2296686 Российская Федерация, МПК5 С1 В 61 Ь 23/00. Способ диагностирования состояния элементов токопроводящих стыков / Шаманов В. И., Пультяков А. В., Трофимов Ю.

A. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. (СССР) ; заявл. 28.09.05, № 2005130264/11 ; опубл. 10.04.07, Бюл. № 11. 5 с. : ил.

6. Пат. 2304060 Российская Федерация, МПК5 С2 В 61 Ь 23/16. Устройство для диагностирования состояния элементов токопроводящих стыков / Шаманов В. И., Шевердин И. Н., Бы-стров А. Н., Пультяков А. В., Трофимов Ю. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. (СССР) ; заявл. 13.08.2005, № 2005130871/11 ; опубл. 10.04.2007, Бюл. № 22. 5 с. : ил.

7. А. с. 1423446 СССР, МКИ5 А1 4 В 61 Ь 23/16. Устройство для измерения сопротивления изолирующих стыков рельсовых цепей / Шаманов

B. И., Михалдык В. П., Ведерников Б. М. ; заявитель Алма-Атин. ин-т инж. ж.-д. трансп. (СССР) ; заявл. 25.03.87, № 4214872 ; опубл. 15.09.88, Бюл. № 34. 5 с. : ил.

8. А. с. 1284874 СССР, МКИ5 А1 4 В 61 Ь 23/16. Устройство для измерения изолирующих стыков рельсовых цепей / Шаманов В. И., Михалдык В. П., Шаманова С. И., Никулин Л. В. (СССР) ; заявитель Алма-Атин. ин-т инж. ж.-д. трансп. ; заявл. 29.05.85, № 3903545 ; опубл. 23.01.87, Бюл. № 3. 3 с. : ил.

9. А. с. 1799786 СССР, МКИ5 А1 5 В 61 Ь 23/16. Устройство для измерения сопротивления изолирующих стыков / Шаманов В. И., Шаманова

C. И. ; заявитель Алма-Атин. ин-т инж. ж.-д. трансп. ; заявл. 18.01.91, № 4903163 ; опубл. 07.03.93, Бюл. № 9. 4 с. : ил.

10. А. с. 1799788 СССР, МКИ5 А1 5 В 61 Ь 23/16. Устройство для измерения сопротивления стыковых соединений рельсовой линии / Шаманов В. И., Никулин Л. В., Михалдык В. П., Шаманова С. И. ; заявитель Алма-Атин. ин-т инж. ж.-д. трансп. (СССР) ; заявл. 18.01.91, № 4903163 ; опубл. 07.03.93, Бюл. № 5. 4 с. : ил.

11. А. с. 1613374 СССР, МКИ5 А1 5 В 61 Ь 23/16. Кодовая рельсовая цепь переменного тока / Шаманов В. И., Михалдык В. П., Ведерников Б. М. ; заявитель Алма-Атин. ин-т инж. ж.-д. трансп. (СССР) ; заявл. 24.05.88, №. 4430944 ; опубл. 15.12.90, Бюл. № 46. 4 с. : ил.

12. Пат. 2334643 Российская Федерация, МПК5 С2 В 61 Ь 23/16. Устройство для измерения параметров рельсовых цепей на электрифицированных железнодорожных линиях / Шаманов В. И., Суров В. П., Пультяков А. В., Трофимов Ю. А., Шаманова С. И. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. ; заявл. 05.07.06, № 2006124127/11 ; опубл. 27.09.08, Бюл. № 27. 5 с. : ил.