УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ СТЫКОВ ПРИ ЭЛЕКТРОТЯГЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2022 года по МПК B61L23/16 

Область техники

Изобретение относится к железнодорожной автоматике и телемеханике и может быть использовано при техническом обслуживании рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации.

Уровень техники

При ухудшении состояния электропроводящих и изолирующих элементов рельсовых линий ухудшается устойчивость работы аппаратуры рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации из-за неодинакового увеличения продольного и уменьшения поперечного сопротивлений рельсовых нитей, в результате чего повышается мешающее действие тягового тока. Поэтому при выяснении причин неустойчивой работы рассматриваемой аппаратуры важна информация о состоянии электропродящих и электроизолирующих элементов рельсовых нитей. Интенсивность сбоев в работе данной аппаратуры от мешающего действия переменного тягового тока в несколько раз больше, чем от действия постоянного тягового тока [1].

Изолирующие стыки относятся к одному из наименее надежных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики [2]. Симметричное ухудшение состояния изолирующих стыков, разделяющих рельсовые цепи, усиливает кондуктивную связь между смежными рельсовыми цепями. В конечном итоге это приводит к появлению ложной занятости свободной рельсовой цепи при шунтировании смежной рельсовой цепи колесными парами подвижного состава, занимающего ее, а короткое замыкание изолирующих стыков приводит к ложной занятости двух смежных рельсовых цепей.

Измерение сопротивления изолирующих стыков каким-либо омметром невозможно потому, что они закорочены небольшими по величине сопротивлениями рельсовых нитей по отношению к земле, а многочисленность электроизолирующих и электропроводящих элементов в рельсовых нитях затрудняют контроль состояния рельсовых линий. Поэтому актуальна разработка устройств, обеспечивающих контроль состояния изолирующих стыков и рельсовых нитей. При этом перспективным является контроль состояния изолирующего стыка косвенным способом - по относительной величине тягового тока, протекающего через него.

Появление ложной занятости рельсовой цепи или увеличение интенсивности сбоев в работе рассматриваемой аппаратуры может вызываться рядом причин. Заключение о том, что ухудшение состояния именно изолирующих стыков привело к этому, является непростой задачей и часто занимает достаточно долгое время. Восстановление работоспособности отказавшего изолирующего стыка трудоемко и занимает тоже относительно много времени. Поэтому ложная занятость рельсовых цепей или/и увеличение интенсивности сбоев в работе аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики при ухудшении состояния изолирующих стыков оказывает заметное влияние на бесперебойность движения поездов.

Ответвление переменного тягового тока в цепь через изолирующий стык с пониженным сопротивлением вызывает появление дополнительной асимметрии тягового тока в рельсовой линии и в основных обмотках дроссель-трансформаторов. Эта асимметрия создает помехи от тягового тока на работу подключаемой к дроссель-трансформаторам аппаратуры рельсовых цепей, а также увеличивает асимметрию сопротивлений рельсовых нитей, разделяемых таким изолирующим стыком. В результате растут помехи от тягового тока на приемники рельсовых цепей и локомотивные приемники автоматической локомотивной сигнализации [1]. Поэтому с точки зрения мешающего влияния переменного тягового тока на работу аппаратуры рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации необходим также контроль асимметрии тягового тока, создаваемой изолирующими стыками с пониженным сопротивлением.

Для технического персонала, обслуживающего рельсовые цепи, важно знать не количественное значение сопротивления изолирующего стыка, продольного и поперечного сопротивления рельсовых нитей, а того, насколько эти элементы близки к предельно допускаемому состоянию, как они повлияли на величину асимметрии тягового тока в рассматриваемом конце рельсовой цепи.

Известно устройство для контроля состояния изолирующих стыков в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока [3]. В устройстве использован метод амперметра и вольтметра для контроля и/или определения величины сопротивления изолирующих стыков по результатам измерений величины переменного тягового тока через изолирующий стык и падения напряжения на нем. Недостатком устройства является необходимость бесконтактного измерения величины тока, протекающего по рельсу.

Известно устройство для измерения сопротивления изолирующих стыков в рельсовых цепях при электротяге, содержащее два делителя напряжений, сумматор и блок сигнализации, обеспечивающее получение требуемой информации в любых рельсовых цепях [4]. Однако это устройство имеет относительно сложную схему из-за необходимости использования специального генератора для выработки испытательного сигнала, а также дополнительного канала измерения, обеспечивающего отстройку от токов испытательного сигнала, уходящего в рельсовую нить.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства контроля.

Цель достигается тем, что оно дополнительно снабжено четырьмя выпрямителями, четырьмя усилителями с регулируемым коэффициентом усиления, сумматором, вычитателем, шестью блоками сигнализации, семью пороговыми элементами и пятью контактами для подключения устройства к рельсовой линии, причем первый и второй из которых подключаются к участку рельса длиной от первого изолирующего стыка до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки и соединяются с входом первого выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом к первым входам первого сумматора и первого делителя напряжения; третий и четвертый контакты подключаются к участку рельса длиной от второго изолирующего стыка до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки и соединяются с входом второго выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом к первым входам второго делителя напряжения и второго сумматора; пятый и шестой контакты подключаются к одной секции основной обмотки дроссель-трансформатора и соединяются с входом третьего выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом третьего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом ко второму входу первого сумматора, соединенного своим выходом с первым входом вычитателя и со вторыми входом первого делителя напряжения, выход которого соединен первым и вторым пороговыми элементами с первым и вторым блоками сигнализации; шестой и седьмой контакты подключаются к другой секции основной обмотки дроссель-трансформатора и соединяются с входом четвертого выпрямительного элемента, соединенного с входом четвертого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора, соединенного своим выходом со вторыми входами вычитателя и второго делителя напряжения, выход которого соединен третьим и четвертым пороговыми элементами с третьим и четвертым блоками сигнализации; выход вычитателя подключен к пятому, шестому и седьмому пороговым элементам, соединенными соответственно с пятым, шестым и седьмым блоками сигнализации, причем шестой пороговый элемент реагирует на сигнал положительной полярности, а седьмой пороговый элемент реагирует на сигнал отрицательной полярности.

Краткое описание чертежа

Сущность предлагаемого устройства поясняется на Блок-схеме устройства (Фиг. 1), где:

поз. 1 - изолирующий стык;

поз. 2 - изолирующий стык;

поз. 3 - рельсовая нить;

поз. 4 - рельсовая нить;

поз. 5 - рельсовая нить;

поз. 6 - рельсовая нить;

поз. 7 - первая секция основной обмотки дроссель-трансформатора;

поз. 8 - вторая секция основной обмотки дроссель-трансформатора;

поз. 9 - контакт; поз. 10 - контакт;

поз. 11 - выпрямительное устройство;

поз. 12-усилитель;

поз. 13 - сумматор;

поз. 14 - делитель напряжения;

поз. 15 - контакт;

поз. 16 - контакт;

поз. 17 - выпрямительное устройство;

поз. 18 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;

поз. 19-сумматор 19;

поз. 20 - делитель напряжения;

поз. 21 - контакт;

поз. 22 - контакт;

поз. 23 - выпрямительное устройство;

поз. 24 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;

поз. 25 - вычитатель;

поз. 26 - пороговый элемент;

поз. 27 - блок сигнализации;

поз. 28 - пороговый элемент;

поз. 29 - блок сигнализации;

поз. 30 - контакт;

поз. 31 - выпрямительное устройство;

поз. 32 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;

поз. 33 - пороговый элемент;

поз. 34 - блок сигнализации;

поз. 35 - пороговый элемент;

поз. 36 - блок сигнализации;

поз. 37 - пороговый элемент;

поз. 38 - пороговый элемент;

поз. 39 - пороговый элемент;

поз. 40 - блок сигнализации;

поз. 41 - блок сигнализации;

поз. 42 - блок сигнализации.

Осуществление изобретения

Изолирующие стыки 1 и 2 разделяют соответственно рельсовую нить 3 с рельсовой нитью 4 и рельсовую нить 5 с рельсовой нитью 6. Тяговый ток i_рн1 в рельсовой нити 3 возле изолирующего стыка 1 разделяется на ток i_дт1 через одну секцию 7 основной обмотки дроссель-трансформатора и на ток i_ис1 через изолирующий стык 1. Тяговый ток i_рн2 второй рельсовой нити 5 возле изолирующего стыка 2 разделяется на ток i_дт2 через другую секцию 8 основной обмотки дроссель-трансформатора и ток i_ис2 через изолирующий стык 2.

Падение напряжения на участке рельса от изолирующего стыка 1 до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки снимается контактами 9, 10 и подается на вход выпрямительного устройства 11, подключенного своим выходом к входу усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления. Выход усилителя 12 соединен с первыми входами сумматора 13 и делителя напряжения 14.

Падение напряжения на участке рельса длиной от изолирующего стыка 2 до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки снимается контактами 15, 16 и подается на вход выпрямительного устройства 17, подключенного своим выходом к входу усилителя 18 с регулируемым коэффициентом усиления. Выход усилителя 18 соединен со первыми входами сумматора 19 и делителя напряжения 20.

Падение напряжения на секции 7 основной обмотки дроссель-трансформатора снимается контактами 21, 22 и подается на вход выпрямительного устройства 23, подключенного своим выходом к входу усилителя 24 с регулируемым коэффициентом усиления. Выход усилителя 24 соединен со вторым входом сумматора 13, выход которого подключен к первому входу вычитателя 25 и ко второму входу делителя напряжения 14, сигнал с выхода которого через пороговый элемент 26 подается на блок сигнализации 27, а через пороговый элемент 28 подается на блок сигнализации 29.

Падение напряжения на другой секции 8 основной обмотки дроссель-трансформатора снимается контактами 22, 30 и подается на вход выпрямительного устройства 31, подключенного своим выходом к входу усилителя 32 с регулируемым коэффициентом усиления. Выход усилителя 32 соединен со вторым входом сумматора 19, выход которого подключен ко вторым входам вычитателя 25 и делителя напряжения 20, сигнал с выхода которого через пороговый элемент 33 подается на блок сигнализации 34, а через пороговый элемент 35 подается на блок сигнализации 36.

Выходной сигнал вычитателя 25 через пороговые элементы 37, 38 и 39 поступает на входы блоков сигнализации, соответственно, 40, 41 и 42. Особенностями пороговых элементов 38 и 39 является то, что пороговый элемент 38 реагирует на величину сигнала положительной полярности, а пороговый элемент 39 реагирует на величину сигнала отрицательной полярности.

Блоки сигнализации 27 и 29 дают визуальную информацию соответственно о предотказном состоянии или при отказе изолирующего стыка 1, а блоки сигнализации 34 и 36 дают визуальную информацию соответственно о предотказном состоянии или при отказе изолирующего стыка 2.

Блок сигнализации 40 дает визуальную информацию о превышении величиной асимметрии тягового тока на этом конце рельсовой цепи допускаемого значения. Блок сигнализации 41 срабатывает, когда ток в рельсовой нити 3 становится больше тягового тока в рельсовой нити 5. Блок сигнализации 42 срабатывает, когда тяговый ток в рельсовой нити 5 становится больше тягового тока в рельсовой нити 3.

Устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к рельсовой линии на участках рельсов длиной от изолирующего стыка до ближайшей дроссельной перемычки на контактах 9, 10 возле изолирующего стыка 1 появляется напряжение

а на контактах 15, 16 возле изолирующего стыка 2 появляется напряжение

где i_ис1, i_ис2 - тяговые токи через соответствующие изолирующие стыки;

z_p - удельное сопротивление рельсов.

На контактах 21,22 появляется напряжение

а на контактах 22, 30 появляется напряжение

где Z_ДT - сопротивление секции основной обмотки дроссель-трансформатора;

i_дт1, i_дт2 - тяговые токи в соответствующих его секциях.

При установке на усилителях 12 и 18 за счет регулировки коэффициента усиления величиной уровень сигнала на выходе усилителя 12 будет соответствовать величине тягового тока i_ис1 через изолирующий стык 1, а уровень сигнала на выходе усилителя 18 будет соответствовать величине тягового тока i_ис2 через изолирующий стык 2.

При установке на усилителях 24 и 32 за счет регулировки коэффициента усиления величиной К₂=1/0,25Z_дт2 уровень сигнала на выходе усилителя 24 будет соответствовать величине тягового тока i_дт1 через первую секцию основной обмотки дроссель-трансформатора, а уровень сигнала на выходе усилителя 32 будет соответствовать величине тягового тока i_дт2 через вторую секцию основной обмотки дроссель-трансформатора.

Тогда сигнал на выходе сумматора 13 будет пропорционален текущей величине тягового тока i_рн1=i_дт1+i_ис1 в первой рельсовой нити 3, а сигнал на выходе сумматора 19 будет пропорционален текущей величине тягового тока i_рн2=i_дт2+i_с2 во второй рельсовой нити 5.

Сигналы с выходов усилителя 12 и сумматора 13 подаются соответственно на первый и второй входы делителя напряжений 14, сигнал на выходе которого будет пропорционален отношенною i_нс1/i_pи1, т.е. относительному значению величины тягового тока через изолирующий стык, которая пропорциональна обратной величине сопротивления первого изолирующего стыка 1.

Пороговый элемент 26 настраивается так, что когда сопротивление R_ис1 изолирующего стыка 1 становится меньше допускаемой минимальной величины R_доп, выходной сигнал этого элемента становится достаточным для срабатывания блока 27, сигнализирующем об отказе изолирующего стыка 1. А пороговый элемент 28 настраивается так, что когда сопротивление R_ис1 изолирующего стыка 1 становится близким к минимально допускаемой величине R_доп, выходной сигнал этого элемента вызывает срабатывание блока 29, сигнализирующем о наступлении предотказного состояния изолирующего стыка 1.

Таким же образом устройство выполняет функцию по контролю состояния второго изолирующего стыка 2. Сигналы с выходов усилителя 18 и сумматора 19 подаются соответственно на первый и второй входы делителя напряжений 20, сигнал на выходе которого будет пропорционален отношенною i_ис2/i_ри2, т.е. относительному значению величины тягового тока через изолирующий стык, которая пропорциональна обратной величине сопротивления второго изолирующего стыка 2.

Пороговый элемент 33 настраивается так, что когда величина сопротивления R_ис2 изолирующего стыка 2 становится меньше допускаемой минимальной величины R_доп, выходной сигнал этого элемента становится достаточным для срабатывания блока 34, сигнализирующего об отказе изолирующего стыка 2. А пороговый элемент 35 настраивается так, что когда величина сопротивления R_иc2 изолирующего стыка 2 становится близкой к минимально допускаемой величине R_доп, выходной сигнал этого элемента вызывает срабатывание блока 36, сигнализирующего о наступлении безотказного состояния изолирующего стыка 2.

Сигналы с выходов сумматора 13 и сумматора 19 подаются также на входы вычитателя 25, выходной сигнал которого, пропорциональный абсолютному значению разности тяговых токов (их асимметрии) i_А=i_рн1 - i_рн2 в рельсовых нитях 3 и 5, подается на входы пороговых элементов 37, 38, 39.

Пороговый элемент 37 срабатывает от абсолютного значения управляющего сигнала, поступающего с выхода вычитателя 25, независимо от его полярности. Срабатывает он, когда величина сигнала на его входе превышает допускаемое для него значение при асимметрии тягового тока в рельсовой линии i_Aдоп, и включает блок сигнализации 40, извещая о данном нарушении.

Пороговый элемент 38 реагирует на сигнал положительной полярности. Поэтому он срабатывает тогда, когда величина тягового тока i_рн1 в первой рельсовой нити 3 будет больше величины тягового тока i_рн2 во второй рельсовой нити 5, и включает блок сигнализации 41. Пороговый элемент 39 реагирует на входной сигнал отрицательной полярности, поэтому он срабатывает тогда, когда величина тягового тока i_рн2 во второй рельсовой нити 5 будет больше величины тягового тока i_рн1 в первой рельсовой нити 3, включая блок сигнализации 42.

Следовательно, устройство обеспечивает не только контроль состояния изолирующих стыков, но и сигнализирует о тех случаях, когда асимметрия тягового тока в рельсовой линии возле этих стыков превышает допускаемую величину, давая также информацию о том, как при этом соотносятся величины тяговых токов в рельсовых нитях.

Анализ схемы устройства с использованием компьютеров, а также испытания лабораторного макета предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и достоверность результатов контроля.

Источники информации

1. Шаманов В.И. Помехи на аппаратуру рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации. Средства защиты. М.: ФГБУ ДПО «УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте», 2019. - 303 с.

2. Сапожников Вл.В., Сапожников В.В., Ефанов Д.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: учеб. пособие. М: ФГПУ ДПО «УМЦ по образованию на ж.-д. трансп.», 2017. - 318 с.

3. Шаманов В.И., Чабан П.Н. Устройство для контроля состояния изолирующих стыков в рельсовых цепях на участках с электротягой переменного тока. Патент РФ на полезную модель №109723 от 27.10.2011 г.

4. Шаманов В.И., Михалдык В.П., Шаманова С.И., Никулин Л.В. Устройство для измерения сопротивления изолирующих стыков рельсовых цепей. Авторское свидетельство на изобретение СССР №1284874 от 23.01.1987 г.

Изобретение относится к средствам контроля состояния изолирующих стыков при электротяге переменного тока. Устройство содержит сумматор, два делителя напряжений, блок сигнализации и два контакта для подключения устройства к рельсовой линии. Устройство дополнительно снабжено четырьмя выпрямителями, четырьмя усилителями с регулируемым коэффициентом усиления, сумматором, вычитателем, шестью блоками сигнализации, семью пороговыми элементами и пятью контактами для подключения устройства к рельсовой линии. Достигается расширение функциональных возможностей устройства наряду с контролем состояния изолирующих стыков, сигнализируется о случаях, когда асимметрия тягового тока в рельсовой линии возле этих стыков превышает допускаемую величину, при этом дается информация о том, как соотносятся величины тяговых токов в рельсовых нитях. 1 ил.

Устройство для контроля состояния изолирующих стыков при электротяге переменного тока, подключаемое к рельсовым нитям и содержащее сумматор, два делителя напряжений, блок сигнализации и два контакта для подключения устройства к рельсовой линии, отличающееся тем, что оно снабжено четырьмя выпрямителями, четырьмя усилителями с регулируемым коэффициентом усиления, сумматором, вычитателем, шестью блоками сигнализации, семью пороговыми элементами и пятью контактами для подключения устройства к рельсовой линии, первый и второй из которых подключаются к участку рельса длиной от первого изолирующего стыка до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки и соединяются с входом первого выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом к первым входам первого сумматора и первого делителя напряжения; третий и четвертый контакты подключаются к участку рельса длиной от второго изолирующего стыка до места подключения к рельсу ближайшей дроссельной перемычки и соединяются с входом второго выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом к первым входам второго делителя напряжения и второго сумматора; пятый и шестой контакты подключаются к одной секции основной обмотки дроссель-трансформатора и соединяются с входом третьего выпрямительного элемента, выход которого соединен с входом третьего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, подключенного своим выходом ко второму входу первого сумматора, соединенного своим выходом с первым входом вычитателя и со вторыми входом первого делителя напряжения, выход которого соединен первым и вторым пороговыми элементами с первым и вторым блоками сигнализации; шестой и седьмой контакты подключаются к другой секции основной обмотки дроссель-трансформатора и соединяются с входом четвертого выпрямительного элемента, соединенного с входом четвертого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора, соединенного своим выходом со вторыми входами вычитателя и второго делителя напряжения, выход которого соединен третьим и четвертым пороговыми элементами с третьим и четвертым блоками сигнализации; выход вычитателя подключен к пятому, шестому и седьмому пороговым элементам, соединенным соответственно с пятым, шестым и седьмым блоками сигнализации, причем шестой пороговый элемент реагирует на сигнал положительной полярности, а седьмой пороговый элемент реагирует на сигнал отрицательной полярности.