УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЛИНИЯХ Российский патент 2008 года по МПК B61L23/16 

Изобретение относится к железнодорожной автоматике и телемеханике и может быть использовано при техническом обслуживании рельсовых цепей на электрифицированных участках железных дорог.

Известны устройства для измерения различных параметров рельсовых цепей [1]. Однако эти приборы достаточно громоздки и требуют проведения множества манипуляций в процессе проведения измерений.

Известно также устройство для измерения сопротивления токопроводящих стыков [2], однако это устройство обеспечивает измерение только одного параметра. В то же время на электрифицированных участках железных дорог очень актуально измерение также разности тяговых токов в рельсовых нитях рельсовой линии - асимметрии тягового тока.

Асимметрия тягового тока отрицательно влияет на устойчивость работы рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации, причем степень этого влияния прямо пропорциональна абсолютной величине асимметрии. В настоящее время асимметрия тяговых токов измеряется только в рельсовых цепях с дроссель-трансформаторами как разность тяговых токов, измеренных в секциях основных обмоток дроссель-трансформаторов, то есть по концам рельсовых цепей [1].

Для автоматической локомотивной сигнализации важно распределение асимметрии тяговых токов вдоль всей линии, а при тональных рельсовых цепях, не имеющих изолирующих стыков с дроссель-трансформаторами, важно знать асимметрию тягового тока в рельсовых нитях в местах присоединения к ним аппаратуры рельсовых цепей. Данное изобретение позволяет измерить дополнительно как абсолютное, так и относительное значения асимметрии тягового тока в любой точке рельсовой линии.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей известного устройства [2].

Цель достигается тем, что устройство снабжено дополнительно вторым усилителем с регулируемым коэффициентом усиления, двумя переключателями для выбора измеряемого параметра, двумя электронными ключами с разными порогами срабатывания, магазином сопротивлений, сумматором и вычитателем, четвертым рельсовым контактом, который при измерениях асимметрии тягового тока подключается к первому выводу входа второго операционного усилителя вместо второго рельсового контакта, выходы операционных усилителей подключены дополнительно к входам сумматора и вычитателя, соединенных своими выходами через контакты второго переключателя для выбора измеряемого параметра со входами делителя напряжений; выход вычитателя соединен также через магазин сопротивлений, второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и первый переключатель для выбора измеряемого параметра с регистратором; выход сумматора соединен также с управляющими входами электронных ключей, подключенных своими выходами каждый параллельно к одному из сопротивлений магазина сопротивлений; второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления своим управляющим входом подключен к переключателю режимов, а рельсовые контакты при проведении измерений асимметрии тягового тока подключаются попарно к рельсам разных рельсовых нитей одной рельсовой линии с одинаковыми расстояниями между контактами в паре.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит регистратор 1, подключенный через нормально открытый контакт первого переключателя для выбора измеряемого параметра 2 к выходу первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 3, а через нормально замкнутый контакт этого переключателя подключен к выходу делителя напряжения 4. Выход делителя напряжения 4 подключен также через первый нормально замкнутый контакт второго переключателя для выбора измеряемого параметра 5, через второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 6 и через пороговый элемент 7 к входу блока сигнализации 8.

Первый 9 и второй 10 рельсовые контакты при измерении сопротивления токопроводящего стыка 11 подключаются к рельсам 12 и 13 одной рельсовой нити по разные стороны этого стыка, а при измерении асимметрии тягового тока эти рельсовые контакты 9 и 10 подключаются к рельсу 14 другой рельсовой нити при фиксированном расстоянии между контактами, равном l₀. Рельсовый контакт 9 соединен с одним выводом входа первого операционного усилителя 15, а рельсовый контакт 10 соединен с другим выводом входа первого операционного усилителя 15 и через нормально замкнутый контакт 5.2 второго переключателя для выбора измеряемо параметра 5 с первым выводом входа второго операционного усилителя 16. Третий рельсовый контакт 17 подключается к рельсу 13 на фиксированных расстояниях l₀ от второго и четвертого 18 рельсовых контактов. Третий рельсовый контакт 17 соединен со вторым выводом входа второго операционного усилителя 16, а четвертый рельсовый контакт 18 через нормально открытый контакт 5.2 второго переключателя для выбора измеряемого параметра 5 соединен с первым выводом входа второго операционного усилителя 16.

Сигнал с выхода первого операционного усилителя 15 подается на первые входы вычитателя 19 и сумматора 20, а также через нормально замкнутый контакт 5.3 второго переключателя для выбора измеряемого параметра 5 - на первый вход делителя напряжений 4. Сигнал с выхода второго операционного усилителя 16 подается на вторые входы вычитателя 19 и сумматора 20, а также через нормально замкнутый контакт 5.4 второго переключателя для выбора измеряемого параметра 5 - на второй вход делителя напряжения 4.

Выход вычитателя 19 через нормально открытый контакт 5.3 второго переключателя для выбора измеряемого параметра 5 соединен с первым входом делителя напряжения 4, а также подключен к первому выводу магазина сопротивлений 21, содержащего четыре резистора R1-R4. Второй вывод магазина сопротивлений 21 от резистора R4 подключен к общей точке схемы.

Выход сумматора соединен с управляющими входами первого 22 и второго 23 электронных ключей, а через нормально открытый контакт 5.4 второго переключателя для выбора измеряемого параметра 5 - ко второму входу делителя напряжений 4. Первый электронный ключ 22 с меньшим порогом срабатывания своими выходными выводами подключен параллельно сопротивлению R4 магазина сопротивлений 21, а второй электронный ключ с большим порогом срабатывания своими выходными выводами подключен параллельно сопротивлению R3 магазина сопротивлений 21.

Переключатель режимов 24 подключен к управляющим входам первого 3 и второго 6 усилителей с регулируемым коэффициентом усиления.

Устройство работает следующим образом.

При показанном на чертеже положении первого 2 и второго 5 переключателей для выбора измеряемого параметра устройство настроено на измерение сопротивления токопроводящих стыков для электрифицированных железнодорожных линий. Для проведения измерений устройство подключается рельсовыми контактами 9 и 10 к рельсам 12 и 13 по разные стороны стыка 11, а рельсовыми контактами 10 и 17 - к участку рельса 13 фиксированной длины l₀.

На участках железных дорог с электротягой по рельсам всегда протекает тяговый ток определенной величины I_T, при этом падение напряжения на измеряемом стыке

U_CT=I_T·Z_CT

и на участке рельса с фиксированной длиной l₀

,

где Z_CT - измеряемое сопротивление стыка;

z_P - удельное сопротивление одного метра рельса тяговому току.

Эти напряжения подаются соответственно через первый 15 и второй 16 операционные усилители на первый и второй входы делителя 4 напряжения, на выходе которого будет сигнал

,

где k_у - коэффициент усиления операционных усилителей 15 и 16;

K=1/l₀·z_P - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, на выходе делителя 4 напряжение U_Д пропорционально величине измеряемого сопротивления стыка Z_CT. Удельное сопротивление рельса z_P тяговому току известно, а длина l₀ фиксирована и тоже известна, что позволяет одну шкалу регистратора 1 отградуировать непосредственно в единицах измеряемого сопротивления.

При проведении массовых профилактических измерений и поиске места повреждения в рельсовых цепях достаточно знать, не превышает ли сопротивление стыка Z_CT установленного максимально допустимого значения z_CT.МАХ. При этом величина Z_CT.МАХ нормируется для разных типов стыка эквивалентным сопротивлением рельса определенной опорной длины. Для практически мгновенного определения, соответствует ли сопротивление измеряемого стыка нормам, служит второй канал на выходе делителя 4 напряжения, где сигнал U_Д, пропорциональный величине измеряемого сопротивления, после усиления усилителем 6 подается на вход порогового элемента 7. Если напряжение U_Д больше допустимого для данного типа стыка, должен срабатывать пороговый элемент 7 и включаться блок сигнализации 8.

Напряжение срабатывания порогового элемента 7 фиксировано U_ПОР. Чтобы срабатывание канала световой индикации зависело от типа стыка, коэффициент усиления усилителя 6 меняется переключателем режимов 24.

Величина падения напряжения U_i тягового тока на участке рельса пороговой длины для i-го типа стыка

U_i=I_T·l_i·z_P,

где l_i - нормативное значение длины рельса, сопротивление которого является предельно допустимым для рассматриваемого i-го типа стыка. Тогда требуемое при этом значение коэффициента усиления усилителя 6 должно меняться пропорционально отношению l_i/l₀.

В качестве усилителей 3 и 6 с регулируемым коэффициентом усиления могут быть использованы операционные усилители.

Канал световой индикации работает следующим образом.

Перед измерениями посредством переключателя режимов 24 устанавливается тип используемых на участке стыков и тем самым устанавливается требуемое значение коэффициента усиления усилителя 6. Если при проведении измерения окажется, что сопротивление стыка меньше предельно допустимого, т.е. находится в пределах нормы, то напряжение на выходе усилителя 6 будет недостаточно для срабатывания порогового элемента 7. Если же сопротивление стыка выше допустимого, то падение напряжения на нем растет, отчего растет напряжение U_Д и на выходе делителя 4, а напряжение на выходе усилителя 6 оказывается больше напряжения срабатывания порогового элемента 7. Последний срабатывает и включает блок сигнализации 8, построенный, например, на светодиодах, потребляющих весьма малую мощность. Световой сигнал показывает, что измеряемый стык дефектен.

Для измерения коэффициента асимметрии тягового тока второй переключатель 5 переводят в другое положение. В результате контактом 5.1 канал световой индикации о состоянии токопроводящего стыка, включающий в себя второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 6, пороговый элемент 7 и блок сигнализации 8, отключается, а к входам делителя напряжений 4 включаются выходы вычитателя 19 и сумматора 20. Первый вывод входа второго операционного усилителя 16 контактом 5.2 отключается от второго рельсового контакта 10 и подключается к четвертому рельсовому контакту 18. Затем устройство подключается рельсовыми контактами 17 и 18 к рельсу 13 первой рельсовой нити, а рельсовыми контактами 9 и 10 - к рельсу 14 второй рельсовой нити так, чтобы межконтактные расстояния были равны l₀.

При протекании тяговых токов и в рельсах соответственно 13 и 14 на отрезках этих рельсов фиксированной длины l₀ возникают падения напряжения

;

.

Эти напряжения подаются соответственно через второй 16 и первый 15 операционные усилители на входы вычитателя 19 и сумматора 20. На выходе вычитателя 19 появляется сигнал

,

а на выходе арифметического сумматора 20 появляется сигнал

.

Эти напряжения и подаются на входы делителя напряжения 4, на выходе которого появляется сигнал

,

то есть сигнал, пропорциональный коэффициенту асимметрии тягового тока. При градуировке второй шкалы регистратора 1 в значениях коэффициента асимметрии тягового тока подача на него сигнала с выхода делителя напряжения 4 обеспечивает непосредственное измерение этого параметра.

Для измерения абсолютного значения асимметрии тягового тока в рельсовых нитях рельсовой линии первый переключатель 2 переводится во второе положение. В результате на регистратор 1 через магазин сопротивлений 21 и первый усилитель 3 с регулируемым коэффициентом усиления подается напряжение с выхода вычитателя 19, пропорциональное разности тяговых токов в рельсовых нитях. Градуировка третьей шкалы регистратора 1 в амперах позволяет измерять абсолютное значение асимметрии тягового тока.

Магазин сопротивлений 21, электронные ключи 22, 23 и переключатель режимов 24 повышают точность измерения асимметрии тягового тока, так как величина удельного сопротивления рельсов z_P зависит от типа рельсов и величины тягового тока в них.

Коррекцию результатов измерения в зависимости от типа рельсов, в которых проводятся измерения, производится с помощью переключателя режимов 24. Перед началом измерений абсолютного значения асимметрии тягового тока этим переключателем выбирается тип рельсов, в результате чего изменяется коэффициент усиления усилителя 3. Настраивается этот коэффициент усилителя так, чтобы изменение удельного сопротивления рельсов z_P при переходе на рельсы другого типа не сказывалось на показаниях регистратора 1 о величине асимметрии тягового тока.

Удельное сопротивление рельсов z_P растет с ростом тягового тока в них [3]. Для компенсации изменения напряжения на выходе вычитателя 19 от изменения z_P в результате варьирования тягового тока в рельсах использована корректирующая цепочка, включающая в себя магазин сопротивлений 21 и электронные ключи 22, 23. Пороги срабатывания электронных ключей настраиваются так, что электронный ключ 22 срабатывает при токе в рельсовой нити 100 А, а электронный ключ 23 - при токе в рельсовой нити, равном 200 А.

Когда ток в рельсовых нитях не превышает 100 А, на вход первого усилителя 3 с регулируемым коэффициентом усиления подается часть выходного напряжения с выхода вычитателя 19, определяемая соотношением (R₂+R₃+R₄)/R₁. Когда ток в рельсовой нити становится больше 100 А, напряжение на выходе сумматора 20 становится достаточным для срабатывания электронного ключа 22. Электронный ключ 22, сработав, шунтирует резистор R4 магазина сопротивлений 21, и напряжение на входе усилителя 3 уменьшается до величины, определяемой соотношением (R₂+R₃)/R₁. Если ток в рельсовой нити превышает 200 А, то напряжение на выходе сумматора 20 становится достаточным для срабатывания электронного ключа 23, который, сработав, закорачивает резистор R3 магазина сопротивлений 21. Напряжение на входе усилителя 3 становится еще меньше в соответствии с соотношением R₂/R₁. Степень уменьшения напряжения на входе усилителя 3 подбирается так, чтобы за счет выбора соответствующих величин сопротивления резисторов R1-R4 компенсировать рост сопротивления рельсовых нитей из-за увеличения тягового тока в них.

Экспериментальные исследования опытного макета заявляемого устройства для измерения параметров рельсовых цепей электрифицированных железнодорожных линий в лабораторных и эксплуатационных условиях показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемым устройством дополнительно измеряются абсолютное и относительное значения асимметрии тягового тока в рельсовых нитях в любой точке рельсовой линии независимо от наличия или отсутствия в месте измерения изолирующих стыков с дроссель-трансформаторами.

Устройство очень удобно для проведения измерений в эксплуатационных условиях, так как не требует выполнения каких-либо сложных манипуляций с устройством во время проведения измерений.

Литература

1. Аркатов B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. - М.: Транспорт, 1990. - 295 с.

2. Авторское свидетельство СССР №1792861 А1, кл. В61L 23/16. Стыкоизмеритель для электрифицированных железнодорожных линий / В.И.Шаманов и др.

3. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М: Транспорт, 1982. - 528 с.

Изобретение относится к железнодорожной автоматике и телемеханике и обеспечивает возможность измерения абсолютного и относительного значений асимметрии тягового тока в рельсовых нитях в любой точке рельсовой линии. Устройство содержит регистратор (1), усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (3), пороговый элемент (7), блок сигнализации (8), переключатель режимов, делитель напряжения (4), два операционных усилителя (15, 16) и три рельсовых контакта. Устройство также снабжено вторым усилителем с регулируемым коэффициентом усиления (6), двумя переключателями для выбора измеряемого параметра, двумя электронными ключами с разными порогами срабатывания (22, 23), магазином сопротивлений (21), сумматором (20) и вычитателем (19), четвертым рельсовым контактом, который при измерениях асимметрии тягового тока подключается к первому выводу входа второго операционного усилителя вместо второго рельсового контакта. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Устройство для измерения параметров рельсовых цепей на электрифицированных железнодорожных линиях, содержащее регистратор, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, пороговый элемент, блок сигнализации, переключатель режимов, делитель напряжения, два операционных усилителя и три рельсовых контакта, отличающееся тем, что оно снабжено вторым усилителем с регулируемым коэффициентом усиления, двумя переключателями для выбора измеряемого параметра, двумя электронными ключами с разными порогами срабатывания, магазином сопротивлений, сумматором и вычитателем, четвертым рельсовым контактом, который при измерениях асимметрии тягового тока подключается к первому выводу входа второго операционного усилителя вместо второго рельсового контакта, выходы операционных усилителей подключены дополнительно к входам сумматора и вычитателя, соединенных своими выходами через контакты второго переключателя для выбора измеряемого параметра с входами делителя напряжений, первый рельсовый контакт соединен с одним выводом входа первого операционного усилителя, второй рельсовый контакт также соединен с другим выводом входа первого операционного усилителя, а третий рельсовый контакт соединен с вторым выводом входа второго операционного усилителя, регистратор через первый переключатель для выбора измеряемого параметра подключен к делителю напряжения, выход которого подключен через второй переключатель для выбора измеряемого параметра, через второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и через пороговый элемент к входу блока сигнализации, выход вычитателя соединен также через магазин сопротивлений, первый усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и первый переключатель для выбора измеряемого параметра с регистратором, выход сумматора соединен также с управляющими входами электронных ключей, подключенных своими выходами каждый параллельно к одному из сопротивлений магазина сопротивлений; второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления своим управляющим входом подключен к переключателю режимов, а рельсовые контакты при проведении измерений асимметрии тягового тока подключаются попарно к рельсам разных рельсовых нитей одной рельсовой линии с одинаковыми расстояниями между контактами в паре.