Контактные сети и ЛЭП

ГЛАВА 8 ВСТРОЕННЫЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ

УСТРОЙСТВА КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП

К устройствам встроенной диагностики можно отнести оборудование, позво-

ляющее контролировать техническое состояние элементов контактных сетей и ли-

ний электропередачи. Они должны быть смонтированы на этих элементах или их имитаторах, расположенных рядом; измерять текущие значения принятых диагно-

стических параметров и при превышении допускаемых значений либо выдавать сигнал визуально на месте либо обеспечивать его дистанционную передачу персо-

налу.

Эти устройства пока являются наименее разработанными, но их пер перспек-

тивность для железных дорог растет по мере увеличения скоростей движения, рас-

ширения международных перевозок (для России – евроазиатского транзита). Они являются необходимым дополнением к созданию долговечных и малообслуживае-

мых конструкций контактных сетей.

Создание системы встроенной диагностики включает в себя установление определяющих параметров, разработку математической модели их проверки и кон-

струкций 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 преду-

сматривать при конструировании узлов всех их подсистем. При этом необходимо иметь в виду, что частичной базой для нее являются релейная защита и телесигнали-

зация.

Встроенные устройства диагностики контактных сетей должны давать возмож-

ность 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 повре-

ждений 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 парамет-

ров внешними средствами с помощью инспекционных вагонов (ВИКС), дрезин

(ДИКС), автомашин-лабораторий, невозможностью оперативного получения ин-

формации о них из-за редкого объезда контактной сети. При разработке средств ди-

агностики должно учитываться оптимальное соотношение «затраты — эффект».

Выдаваемая встроенной диагностикой информация о параметрах должна фик-

сироваться обслуживающим персоналом или регистрирующими приборами. В пер-

вом случае могут использоваться данные, полученные визуально с земли или с изо-

лированной вышки при обходе контактной сети; во втором— данные должны пере-

даваться в район контактной сети, на тяговую подстанцию или энергодиспетчеру

через каналы телеуправления или по специальным линиям.

К подсистеме «встроенные диагностические устройства» можно отнести сле-

дующее известное в настоящее время оборудование для визуального, ручного и ав-

томатического контроля параметров (рис. 8.2): сигнализаторы нагрева токопрово-

дящих 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 вели-

чины сопротивления опор контактной сети используют выводы заземляющих спус-

ков, 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 шлей-

фов, 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, прикреп-

ленных 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, при-

водящий 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 уни-

верситета путей сообщения Ю.П. Неугодниковым и др. конструкции тепловой за-

щиты нагрев фиксируется косвенным путем. Аналоговые данные датчика тока (из фидерной ячейки) и датчика температуры окружающей среды переводят в цифро-

вую форму и путем решения дифференциального уравнения теплового состояния твердого тела определяют температуру контактных проводов. Однако реальный из-

нос проводов, от которого зависит плотность тока отжига, может снижать точность контроля этого параметра.

По предложению научных сотрудников Самарского института инженеров же-

лезнодорожного транспорта В.Л. Григорьева и др.в СамГАПСе контроль температу-

ры проводов проводится напрямую – путем установки на них датчиков температу-

ры. 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 гру-

зов компенсаторов при проходе ЭПС. Для этого ряд с компенсатором устанавлива-

ют 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 се-

ти и задержки поездов. Учитывая, что обледенение проводов и его интенсивность значительно меняются на расстоянии нескольких километров, персоналу необходи-

мо заранее иметь конкретную информацию о времени и месте появления гололеда от автоматических устройств, установленных вблизи районов контактной сети и тя-

говых 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 об-

разовании на проводах изморози или инея, имеющих общую структуру с гололедом,

но не представляющих опасности для контактных сетей из-за малой нагрузки и лег-

кости удаления ветром, токоприемниками и т.п.

На ЛЭП применяют различные дистанционные методы контроля гололедных нагрузок и передачи сигналов на контрольные пункты по радио, специальным про-

водным линиям или высокочастотными сигналами по своим проводам. Известны конструкции датчиков, которые срабатывают при появлении гололеда на специаль-

ном стержне, шаре, сферической сетке, контрольном проводе, подвешенном парал-

лельно или на самом проводе ВЛ.

В конструкции сигнализатора Всероссийского научно-исследовательского ин-

ститута железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) величина гололедообразования на линии со стальными проводами измеряется по ее индуктивности, которая реги-

стрируется датчиком. Катушка датчика крепится на кронштейне опоры, а сердечник соединяется с проводом ВЛ. Стрела провеса провода зависит от толщины стенки го-

лоледа, 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, тензодат-

чики 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 устрой-

ства 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 движе-

ния после пробоя, а также для предотвращения электрокоррозии. Существует не-

сколько 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, фиксиру-

ющее ток утечки, предшествующий перекрытию по загрязнению поверхности изо-

лятора. Оно состоит из герметизированного магнитоуправляемого контакта, катуш-

ки с токовой обмоткой и постоянного магнита, используемого в качестве порогового элемента. Устройств заливается компаундом и монтируется последовательно с изо-

лятором со стороны опоры. Ток утечки протекает через катушку, наводит магнит-

ный поток, который суммируется с магнитным полем постоянного магнита и при достижении критического значения вызывает замыкание контактов, сигнализирую-

щих о недопустимом состоянии изолятора.

Определение мест коротких замыканий контактных сетей и ЛЭП осуществляют аппаратурой, устанавливаемой на подстанциях или различными линейными датчи-

ками.

Аппаратура для определения расстояния до места повреждения контактной се-

ти переменного тока использует метод измерения полного сопротивления тяговой сети петли короткого замыкания. На каждой подстанции устанавливается передаю-

щий полукомплект поискового устройства, связанный с комплектом телесигнализа-

ции системы телеуправления. На диспетчерском пункте имеется общий приемный полукомплект с цифровым индикатором расстояния. Измерение расстояния произ-

водится в момент бестоковой паузы ЭПС. На расстоянии до 45 км место определя-

лось с точностью до 0,3—0,7 км.

Разработаны специальные линейные датчики для контактной сети, которые яв-

ляются 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 зазем-

ляющего спуска каждой опоры простейшее реле-блинкер, флажок которого отпадает при пробое, что можно увидеть из проходящего поезда. К недостаткам этого спосо-

ба надо отнести необходимость ручного включения реле после срабатывания.

Датчики, использующие свойства ферромагнетиков, запоминающие направле-

ние тока в момент короткого замыкания, предложены в МИИТе В.Н. Пупыниным.

Сопоставление направлений позволяет указать место короткого замыкания. Их сле-

дует устанавливать на участке между подстанциями через 100—200 м и затем счи-

тывать направления фазоопределителем. Необходимо указывать место установки.

В последнее время применяются групповые заземления с короткозамыкателя-

ми. В этом случае сигнализатором является сам короткозамыкатель, срабатывание которого свидетельствует о пробое изолятора и указывает место короткого замыка-

ния.

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 контакт-

ную сеть; состояния токоприемника, а также характеристик контактных материалов полозов (уголь, металлокерамика и т. д.). Для этого необходимо знать площадь из-

носа и число проходов токоприемников.

ВОмГУПСе разработана конструкция датчика, использующего импульсы тока

вструне, возникающие при проходе токоприемников, и фиксирующего их электро-

механическим счетчиком. Для учета величины снимаемого тока в конструкции установлены не один, а три счетчика с разным током срабатывания. Последнее до-

стигается включением дополнительных сопротивлений разной величины. Для опре-

деления числа ЭПС, прошедшего с заданными величинами тока, необходимо прове-

сти вычитание из показаний первого счетчика суммы показаний двух других, из по-

казаний второго счетчика – показаний третьего счетчика. Считывание данных сле-

дует производить с изолированных вышек. На участках постоянного тока счетчик можно дополнять автоматическим устройством распознавания типа токоприемника

(ЭПС).

Сигнализаторы критического износа контактных проводов. Критический из-

нос провода соответствует его максимально допустимому значению, на которое мо-

жет в соответствии с действующими правилами уменьшаться первоначальное сече-

ние. 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 вагона-

ми на российских дорог принят раз в квартал, в Японии на линии «Токайдо» – 10

суток.

Для увеличения точности измерения (надежности) в Японии разработана кон-

струкция сигнализатора критического износа, основанная на использовании двух сигнальных проводников диаметром 0,8 мм, покрытых поливинилхлоридной изоля-

цией 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 изо-

ляции 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 бата-

рея, емкости которой достаточно для работы в течение трех лет. Однако наведенный

ток в сигнальных проводниках, индуктированный тяговым током ЭПС, отрицатель-

но 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 не-

скольких секций контактной подвески, для чего используют специальные соедини-

тельные кабели.

Индикация осуществляется следующим образом. На индикаторной панели смонтировано множество дисков диаметром около 20 мм, окрашенных с одной сто-

роны в черный, а с другой — в желтый цвет, причем их положение зависит от сраба-

тывания специальных магнитов. В исходном положении диски повернуты черной стороной наружу, а в случае обнаружения изменений состояния контактного прово-

да, 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 явля-

ется отсутствие напряжения на контактной сети, т.е. она подает сигнал при отклю-

чении 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 поис-

ка.

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 дре-

зины.

Индикатор надежного прохода токоприемника по воздушной Стрелке выпол-

нен 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.