Глава 8 встроенные диагностические устройства контактных сетей и лэп
К устройствам встроенной диагностики можно отнести оборудование, позволяющее контролировать техническое состояние элементов контактных сетей и линий электропередачи. Они должны быть смонтированы на этих элементах или их имитаторах, расположенных рядом; измерять текущие значения принятых диагностических параметров и при превышении допускаемых значений либо выдавать сигнал визуально на месте либо обеспечивать его дистанционную передачу персоналу.
Эти устройства пока являются наименее разработанными, но их пер перспективность для железных дорог растет по мере увеличения скоростей движения, расширения международных перевозок (для России – евроазиатского транзита). Они являются необходимым дополнением к созданию долговечных и малообслуживаемых конструкций контактных сетей.
Создание системы встроенной диагностики включает в себя установление определяющих параметров, разработку математической модели их проверки и конструкций технических средств (устройств). В частности, устройства, находящиеся под высоким напряжением, могут иметь: датчик параметра, изолирующие элементы, анализатор значения (величины) параметра, аппаратуру индикации и регистрации параметра, канал связи. У более сложных устройств количество функциональных элементов возрастает (рис. 8.1). При установке устройств вне высокого напряжения количество элементов уменьшается.
Элементы встроенной диагностики контактных сетей и ЛЭП следует предусматривать при конструировании узлов всех их подсистем. При этом необходимо иметь в виду, что частичной базой для нее являются релейная защита и телесигнализация.
Встроенные устройства диагностики контактных сетей должны давать возможность оперативно предотвращать повреждения и задержки поездов, накапливать данные для определения параметров надежности, а также прогнозировать сроки службы элементов при обслуживании «по состоянию». Экономический эффект внедрения диагностики может быть достигнут предотвращением ущерба от повреждений и эксплуатационных расходов (трудозатрат).
Рис. 8.1. Элементы устройств встроенной диагностики контактных сетей
Целесообразность внедрения встроенных устройств диагностики определяется также невозможностью или сложностью оперативной проверки некоторых параметров внешними средствами с помощью инспекционных вагонов (ВИКС), дрезин (ДИКС), автомашин-лабораторий, невозможностью оперативного получения информации о них из-за редкого объезда контактной сети. При разработке средств диагностики должно учитываться оптимальное соотношение «затраты — эффект».
Выдаваемая встроенной диагностикой информация о параметрах должна фиксироваться обслуживающим персоналом или регистрирующими приборами. В первом случае могут использоваться данные, полученные визуально с земли или с изолированной вышки при обходе контактной сети; во втором—данные должны передаваться в район контактной сети, на тяговую подстанцию или энергодиспетчеру через каналы телеуправления или по специальным линиям.
К подсистеме «встроенные диагностические устройства» можно отнести следующее известное в настоящее время оборудование для визуального, ручного и автоматического контроля параметров (рис. 8.2): сигнализаторы нагрева токопроводящих зажимов, состояния изоляции и обрыва, критического износа контактных проводов, а также появления гололеда на них; датчики температуры контактных проводов и места их короткого замыкания и др. Кроме того, для диагностики величины сопротивления опор контактной сети используют выводы заземляющих спусков, а для контроля уровня головки рельса (высоты подвеса проводов) и привязки аппаратуры ВИКС – реперы на опорах контактных сетей.
Рис. 8.2. Классификация аппаратуры встроенной диагностики контактных сетей и ЛЭП
Сигнализаторы нагрева токопроводящих зажимов контактной сети и ЛЭП необходимы, чтобы предотвратить разрушение зажимов, разрыв и падение шлейфов, возникновение коротких замыканий. Сигнализаторы выдают видимый сигнал о превышении пороговых значений температуры нагрева зажимов током с учетом температуры окружающего воздуха. Они выполняются в виде флажков, прикрепленных к зажимам легкоплавким сплавом, от падающих при превышении заданной величины температуры, и специальных термокрасок, наносимых на зажимы, цвет которых изменяется при превышении температурной нормы.
Датчики нагрева контактных проводов позволяют предотвратить отжиг, приводящий к снижению прочности (с возможностью обрыва) и уменьшению твердости (повышению износа) проводов. Датчики устанавливают на проводах в местах наибольших токов, т. е. вблизи мест подключения к ним питающих фидеров.
В предложенной научными сотрудниками Уральского государственного университета путей сообщения Ю.П. Неугодниковым и др. конструкции тепловой защиты нагрев фиксируется косвенным путем. Аналоговые данные датчика тока (из фидерной ячейки) и датчика температуры окружающей среды переводят в цифровую форму и путем решения дифференциального уравнения теплового состояния твердого тела определяют температуру контактных проводов. Однако реальный износ проводов, от которого зависит плотность тока отжига, может снижать точность контроля этого параметра.
По предложению научных сотрудников Самарского института инженеров железнодорожного транспорта В.Л. Григорьева и др.в СамГАПСе контроль температуры проводов проводится напрямую – путем установки на них датчиков температуры. Данные измерения передаются на подстанцию по радиоканалу или проводам после прохождения изолирующего устройства (потенциальной развязки). В этом случае величина износа проводов значения не имеет.
Степень нагрева проводов можно определить визуально по перемещению грузов компенсаторов при проходе ЭПС. Для этого ряд с компенсатором устанавливают рейку с делениями, на которой нанесены положения грузов, соответствующие температурам окружающего воздуха. По превышению этих значений можно судить о дополнительном нагреве или перегреве проводов токами нагрузки.
Сигнализаторы о гололеде на проводах контактных сетей и ЛЭП позволяют своевременно принять предупреждающие меры (организовать профилактический подогрев, плавку и очистку от гололеда) во избежание повреждения контактной сети и задержки поездов. Учитывая, что обледенение проводов и его интенсивность значительно меняются на расстоянии нескольких километров, персоналу необходимо заранее иметь конкретную информацию о времени и месте появления гололеда от автоматических устройств, установленных вблизи районов контактной сети и тяговых подстанций. При этом в условиях работы тяговых сетей желательно иметь сигнализаторы гололеда со световым, акустическим или иным выходом, которые реагировали бы исключительно на его появление и не выдавали бы сигнала при образовании на проводах изморози или инея, имеющих общую структуру с гололедом, но не представляющих опасности для контактных сетей из-за малой нагрузки и легкости удаления ветром, токоприемниками и т.п.
На ЛЭП применяют различные дистанционные методы контроля гололедных нагрузок и передачи сигналов на контрольные пункты по радио, специальным проводным линиям или высокочастотными сигналами по своим проводам. Известны конструкции датчиков, которые срабатывают при появлении гололеда на специальном стержне, шаре, сферической сетке, контрольном проводе, подвешенном параллельно или на самом проводе ВЛ.
В конструкции сигнализатора Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) величина гололедообразования на линии со стальными проводами измеряется по ее индуктивности, которая регистрируется датчиком. Катушка датчика крепится на кронштейне опоры, а сердечник соединяется с проводом ВЛ. Стрела провеса провода зависит от толщины стенки гололеда, воздействует на положение сердечника и индуктивность датчика.
В Уральском отделении ВНИИЖТ разработана конструкция датчика гололеда для контактных проводов на емкостном принципе. За рубежом в датчиках гололеда используют динамометры с контактами и передачу данных по телеканалу, тензодатчики с передачей сигналов по радио, а также затухание высокочастотных сигналом (при наличии Высокочастотной защиты) и др.
Сигнализаторы об обрыве контактных проводов могут реагировать на падение (опускание) грузов компенсаторов ниже пороговых значений, использовать устройства торможения компенсаторов при обрыве контактных проводов, а также датчики усилий, установленные после изоляторов в страховочные тросы и т.д.
Сигнализаторы о состоянии изоляции необходимы для восстановления движения после пробоя, а также для предотвращения электрокоррозии. Существует несколько видов таких сигнализаторов для контактных сетей и ЛЭП. Одним из самых простых сигнализаторов являются изоляторы из щелочного стекла, у которых при пробое рассыпаются тарелки. Более сложным сигнализатором является контрольная гирлянда изоляторов, смонтированная на анкерном участке контактной сети.
В МИИТе было разработано устройство для контроля изоляции ВЛ, фиксирующее ток утечки, предшествующий перекрытию по загрязнению поверхности изолятора. Оно состоит из герметизированного магнитоуправляемого контакта, катушки с токовой обмоткой и постоянного магнита, используемого в качестве порогового элемента. Устройств заливается компаундом и монтируется последовательно с изолятором со стороны опоры. Ток утечки протекает через катушку, наводит магнитный поток, который суммируется с магнитным полем постоянного магнита и при достижении критического значения вызывает замыкание контактов, сигнализирующих о недопустимом состоянии изолятора.
Определение мест коротких замыканий контактных сетей и ЛЭП осуществляют аппаратурой, устанавливаемой на подстанциях или различными линейными датчиками.
Аппаратура для определения расстояния до места повреждения контактной сети переменного тока использует метод измерения полного сопротивления тяговой сети петли короткого замыкания. На каждой подстанции устанавливается передающий полукомплект поискового устройства, связанный с комплектом телесигнализации системы телеуправления. На диспетчерском пункте имеется общий приемный полукомплект с цифровым индикатором расстояния. Измерение расстояния производится в момент бестоковой паузы ЭПС. На расстоянии до 45 км место определялось с точностью до 0,3—0,7 км.
Разработаны специальные линейные датчики для контактной сети, которые являются элементами встроенной диагностики. Они выявляют пробитые изоляторы, а также любое соединение оборудования контактной подвески с рельсами.
Например, С.Е. Стерлиным в МИИТе было предложено включать в цепь заземляющего спуска каждой опоры простейшее реле-блинкер, флажок которого отпадает при пробое, что можно увидеть из проходящего поезда. К недостаткам этого способа надо отнести необходимость ручного включения реле после срабатывания.
Датчики, использующие свойства ферромагнетиков, запоминающие направление тока в момент короткого замыкания, предложены в МИИТе В.Н. Пупыниным. Сопоставление направлений позволяет указать место короткого замыкания. Их следует устанавливать на участке между подстанциями через 100—200 м и затем считывать направления фазоопределителем. Необходимо указывать место установки.
В последнее время применяются групповые заземления с короткозамыкателями. В этом случае сигнализатором является сам короткозамыкатель, срабатывание которого свидетельствует о пробое изолятора и указывает место короткого замыкания.
Счетчики проходов по контактным проводам токоприемников с различной нагрузкой позволяют получить объективные данные о среднем удельном износе проводов, что необходимо для оценки работы персонала, обслуживающего контактную сеть; состояния токоприемника, а также характеристик контактных материалов полозов (уголь, металлокерамика и т. д.). Для этого необходимо знать площадь износа и число проходов токоприемников.
В ОмГУПСе разработана конструкция датчика, использующего импульсы тока в струне, возникающие при проходе токоприемников, и фиксирующего их электромеханическим счетчиком. Для учета величины снимаемого тока в конструкции установлены не один, а три счетчика с разным током срабатывания. Последнее достигается включением дополнительных сопротивлений разной величины. Для определения числа ЭПС, прошедшего с заданными величинами тока, необходимо провести вычитание из показаний первого счетчика суммы показаний двух других, из показаний второго счетчика – показаний третьего счетчика. Считывание данных следует производить с изолированных вышек. На участках постоянного тока счетчик можно дополнять автоматическим устройством распознавания типа токоприемника (ЭПС).
Сигнализаторы критического износа контактных проводов. Критический износ провода соответствует его максимально допустимому значению, на которое может в соответствии с действующими правилами уменьшаться первоначальное сечение. Превышение износа может привести к обрыву проводов с задержкой поездов, тяжелыми последствиями и значительным экономическим ущербом.
Измерение износа можно производить ручными средствами — с вышек (с большой трудоемкостью) и автоматически — с вагонов- и дрезин-лабораторий (с большой периодичностью и ограниченной точностью). Интервал измерений вагонами на российских дорог принят раз в квартал, в Японии на линии «Токайдо» – 10 суток.
Для увеличения точности измерения (надежности) в Японии разработана конструкция сигнализатора критического износа, основанная на использовании двух сигнальных проводников диаметром 0,8 мм, покрытых поливинилхлоридной изоляцией и расположенных внутри контактного провода диаметром 15 мм параллельно друг другу на определенной высоте относительно его нижней рабочей поверхности. Сущность работы сигнализатора состоит в том, что измерением сопротивления изоляции между металлом контактного провода и сигнальных проводников можно определить, не достиг ли износ первого такой степени, что последние вышли на его рабочую поверхность. С этой целью на одном конце секции контактной подвески концы сигнальных проводников коротко замкнуты, а на другом — подключены к измерительному устройству. Один раз в сутки устройство автоматически измеряет сопротивление изоляции и сравнивает его с данными предыдущего измерения, а также выполняет самотестирование. Для этого измерительное устройство оснащено таймером и микропроцессором, для питания служит литиевая аккумуляторная батарея, емкости которой достаточно для работы в течение трех лет. Однако наведенный ток в сигнальных проводниках, индуктированный тяговым током ЭПС, отрицательно влияет на точность измерений. Поэтому измерения проводятся при отключенном питании, что также определяется с по мощью встроенного датчика напряженности электрического поля.
Сигнализатор с габаритами 380х390х300 мм и массой 38 кг устанавливают на консоль контактной сети на опорном изоляторе, т.е. под ее потенциал. Для защиты от внешних воздействий его снабжают двухслойной обшивкой из нержавеющей стали.
Протяженность одной зоны измерений составляет 4—5 км. Поэтому к одному индикаторному устройству обычно подключают сигнальные проводники от нескольких секций контактной подвески, для чего используют специальные соединительные кабели.
Индикация осуществляется следующим образом. На индикаторной панели смонтировано множество дисков диаметром около 20 мм, окрашенных с одной стороны в черный, а с другой — в желтый цвет, причем их положение зависит от срабатывания специальных магнитов. В исходном положении диски повернуты черной стороной наружу, а в случае обнаружения изменений состояния контактного провода, выходящих за пределы допустимого, поворачиваются желтой стороной наружу и фиксируются в этом положении.
Сигнализатор наличия напряжения на сопряжении. Аппаратура сигнального указателя «Опустить токоприемник» устанавливается на воздушном промежутке, включается автоматически при исчезновении напряжения на секции перед ЭПС. Содержит шкаф РКН с добавочными сопротивлениями и реле минимального напряжения, разрядник конденсатора, резисторы, реле мигания, сигнальные лампы. Аппаратура является элементом встроенной диагностики, параметром которой является отсутствие напряжения на контактной сети, т.е. она подает сигнал при отключении или заземлении секции. Токоприемник ЭПС, заезжающего на такую секцию с рабочей, подает на нее напряжение, создавая короткое замыкание на воздушном промежутке (пережог) и снижая электробезопасность. Визуальное воздействие на машиниста оказывает мигающий 40—50 раз в минуту сигнальный указатель.
Сигнализатор о коротком замыкании на землю секции контактной подвески станции стыкования состоит из трансформаторов тока, сигнальных проводов и блинкеров. При коротком замыкании это встроенное диагностическое устройство определяет место повреждения, сокращая время за счет исключения времени поиска.
Сигнализатор состояния изоляции элементов устройств контактных сетей при постепенном загрязнении свидетельствует о приближении к состоянию пробоя.
Блинкер сигнальной точки свидетельствует о наличии на ней напряжения, т.е. ее исправности. Его можно заметить из кабины ЭПС, вагона-лаборатории или дрезины.
Индикатор надежного прохода токоприемника по воздушной Стрелке выполнен в виде пары горизонтальных проволочных щупов, закрепленных на проводах сходящихся подвесок.
Индикатор прохода по сопряжению представляет собой вертикальный конус из пластичного материала, устанавливаемый на проводах отходящей ветви.