Диагностика параметров работы рельсовых цепей

Назначение рельсовых цепей

Рельсовые цепи являются основным элементом всех устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, выполняющим функции датчиков информации о местоположении подвижного состава и используемым в качестве телемеханических каналов для передачи информации между путевыми и поездными устройствами. Рельсовая цепь представляет собой линию с очень низким сопротивлением изоляции между токоведущими рельсами, изменяющимся в широких пределах, и большой проводимостью по отношению к земле. Кроме того, такая линия работает в особых условиях, определяемых наложением переменного шунта в виде колесной пары подвижных единиц, что обусловливает специфику ее технического обслуживания и измерений.

Характерные неисправности рельсовых цепей

Особенность рельсовой цепи состоит в том, что ее элементы пространственно разобщены. Часть элементов расположена на посту, где имеются хорошие условия для наблюдения и измерений. Другая часть элементов находится на поле, где измерения и наблюдения затруднены. С другой стороны, отказы постовой аппаратуры составляют незначительную часть от общего числа отказов рельсовой цепи и имеют меньшую вероятность возникновения. Большинство отказов рельсовой цепи связано с повышением затухания рельсовой линии, которое происходит в результате обрывов стыковых соединителей и джемперов, нарушения изоляции изолирующих стыков, понижения сопротивления балласта, замыкания между рельсами и других повреждений напольной аппаратуры.

Средства и способы диагностирования параметров работы

Рельсовых цепей

При эксплуатации рельсовые цепи осматривают и вольтметром измеряют напряжение между рельсами в конце каждого звена. При исправной рельсовой цепи показания вольтметра будут изменяться плавно; резкое изменение напряжения, измеряемого между соседними звеньями, указывает на низкое сопротивление балласта или неисправность стыковых соединителей. Одновременно измеряют и сопротивление изолирующего стыка, которое должно быть не менее 30 Ом. При измерениях необходимо учитывать наличие помех от соседних рельсовых цепей или других источников. Эти помехи можно обнаружить вольтметром, подключив его в середине рельсовой цепи при отключенном источнике питания.

Параметры рельсовых цепей измеряют в интервалах между движущимися поездами. На электрифицированных участках, где при измерениях требуется отключать дроссели-трансформаторы, необходимо отключить напряжение с контактной сети или закрыть движение по данному пути. Необходимо убедиться и в том, что токи с других путей не проходят через рельсовую цепь, в которой отключался дроссель-трансформатор.

Измерительные приборы, как правило, подключают к зажимам кабельных стоек, а вольтметры и вольтметровые обмотки фазометров - непосредственно к рельсовым нитям. Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть не менее 100 Ом на 1 В шкалы прибора, а длина рельсовой нити измеряется с точностью до 1,0 м.

Проверка состояния изолирующих стыков.Состояние изолирующих стыков контролируется в основном измерением "рельс - накладка". Нормативное сопротивление изоляции 50 Ом, поэтому сопротивление изоляции накладки можно проверять вольтметром с внутренним сопротивлением 50 Ом. При отсутствии такого прибора параллельно входу высокоомного вольтметра устанавливают резистор сопротивлением 51 Ом. При автономной тяге измерение сопротивления изоляции первого стыка (рис.104) сводится к определению напряжений.

Если напряжения :

и , а

и ,

то сопротивление изоляции накладок Н1 и Н2 относительно рельсовых нитей Р1 и Р2 больше 50 Ом, т. е. соответствует нормативному. Если хотя бы одно из этих неравенств не выполняется, то изоляция накладки Н1 и Н2 относительно рельса Р1 и Р2 нарушена. Аналогично определяют исправность изоляции второго стыка. Указанный метод измерения основан на том, что напряжение между рельсовыми нитями прикладывается к последовательной схеме из сопротивлений измерительного вольтметра (51 Ом), подключенного к одной из рельсовых нитей и накладке, и сопротивления изоляции между этой накладкой и противоположным рельсом. При этом, чем больше сопротивление изоляции между накладкой и рельсом, тем меньше напряжение на измерительном вольтметре, подключенном между этой накладкой и противоположным рельсом.

Рис 104. Схема измерения сопротивления изоляции «рельс – накладка»

В однониточных рельсовых цепях исправность изолирующих стыков проверяют по схеме (рис. 105) с использованием вольтметра, внутреннее сопротивление которого 51 Ом. Исправность изоляции в изолирующем стыке сохраняется при условии

, , и

Рис. 105. Схема проверки изолирующих стыков в однониточных рельсовых цепях

Сопротивление изоляции изолирующего стыка в цепи "рельс - накладка" определяют по схеме (рис. 106). При использовании источника постоянного тока GВ напряжением 8 - 9В вольтметром РV измеряют напряжение U, а амперметром - ток I (см. рис. 106, а). Затем по отношению U/I вычисляют сопротивление изоляции цепи "накладка - рельс". При электротяге постоянного тока необходимо выполнить дополнительное измерение, изменив порядок подключения проводников. Окончательный результат будет равен среднему значению результатов двух измерений. Для измерения сопротивления изоляции можно использовать и измеритель сопротивления МС типа МС-07 (08) или М16 (рис. 106, б).

Рис. 106. Схема измерения изоляции стыков с помощью вспомогательного источника постоянного тока (а) и измерителя сопротивления (б)

Состояние изолирующих элементов сережек остряков, стрелочных гарнитур, стяжных полос и распорок проверяют вольтметром с внутренним сопротивлением 51 Ом. При проверке состояния изолирующих элементов сережек остряков и стрелочных гарнитур (рис. 107, а) измеряют напряжение между рельсами U_p, а затем напряжения между связной тягой и рельсами U_тр1 и U_тр2. Если U_тр1 ≥0,5U_p, то неисправна изоляция со стороны второго рельса, если же U_тр1 <0,5U_p и U_тр2 <0,5U_p, то изоляция исправна. Конкретное место пробоя изоляции определяют таким образом. В свободное от движения поездов время, по договоренности с ДСП, со стороны, где изоляция исправна, гарнитуру соединяют с рельсом и в это же время индикатором рельсовой цепи определяют место неисправной изоляции.

Рис.107. Схемы проверки изолирующих элементов: а - сережки остряка; б- стяжных полос

При измерении сопротивления изоляции 3 стяжных полос 1 (рис. 107, б) определяют напряжения U_p между рельсами (или полосами), а затем - напряжения между каждым рельсом U_п1б, U_п2б (полосой) и болтом 2. Если U_п1б<0,5U_p и U_п2б<0,5U_p, то изоляция исправна.

Определение места короткого замыкания в элементах рельсовых цепей (изолирующие стыки, стяжные полосы, железобетонные шпалы) упрощается при использовании индикаторов тока, основным элементом которых является индукционная катушка. При протекании по рельсу или другому элементу, на который наложена индукционная катушка переменного тока или импульсного постоянного тока, в последней наводится ЭДС. Для определения места короткого замыкания служит измеритель рельсовой цепи типа ИРЦ 58 (рис. 108, а), содержащий катушку индуктивности К, усилитель У на транзисторах VТ1, VТ2 и измерительный прибор ИП. Можно применять катушку К без усилителя с чувствительным стрелочным прибором П, подключаемым через выпрямитель VD (рис. 108, б). Отсутствие усилителя позволяет обходиться без источника питания, однако чувствительность прибора снижается. Эти схемы обладают слабой частотной селективностью, и поэтому их использование на участках с электротягой затруднительно.

Рис.108. Схемы измерителя типа ИРЦ-58 (а) и простейшего прибора с

индукционной катушкой (б)

Для аналогичных цепей может быть использован индикатор тока электрических рельсовых цепей типа ИРЦ 25/50. Он предназначен для индикации присутствия в рельсах и других элементах станционных и перегонных рельсовых цепей сигнальных токов частотами 25 и 50 Гц, в том числе частотой 25 Гц при больших мешающих воздействиях переменных тяговых токов промышленной частоты и сигнальных токов частотой 50 Гц. Индикатор построен по схеме частотно-избирательного приемника прямого усиления (рис. 109). С измеряемой цепи сигнал снимается индуктивным способом - катушкой индуктивности К, что исключает влияние индикатора на режим работы измеряемой цепи. Сигнал с катушки поступает на вход согласующего устройства СУ1, согласовывающего высокое сопротивление катушки К с низким входным сопротивлением электрического фильтра Ф. Одновременно СУ1 усиливает сигнал с катушки К. Электрический фильтр Ф настраивается на частоту сигнального тока в измеряемой цепи. С его выхода сигнал поступает на согласующее устройство СУ2 и затем на два канала индикации. Первый канал стрелочной индикации имеет усилитель У1, выпрямитель VD и измерительный прибор ИП. Второй канал световой индикации состоит из усилителя У2 и светоизлучающего диода D, обеспечивающего индикацию в темное время суток. В индикаторе предусмотрена перестройка с частоты 25 Гц на частоту 50 Гц, осуществляемая переключателем SА. При этом фильтр Ф перестраивается на другую частоту, изменяется коэффициент усиления СУ1 и схема включения секций катушки К.

Чувствительность прибора выбрана такой, чтобы при индикации наличия сигнального тока полное отклонение стрелки ИП наблюдалось при токах в измерительной цепи около 3А, а начало свечения светоизлучающего диода - при токах около 0,5 А. Прибор обладает высокой избирательностью. Максимальный ток промышленной частоты, при котором сохраняется работоспособность прибора, до 200 А. Индикатор питается от источника постоянного тока с номинальным напряжением 9 В.

Рис. 109. Схема индикатора типа ИРЦ 25/50

Для индикации состояния изоляции элементов рельсовых цепей на Западно-Сибирской дороге разработан прибор (рис. 110). Постоянное напряжение 4,5 В батареи GВ с помощью транзисторов VТ1 и VТ2 преобразуется в переменное, которое выпрямляется выпрямителем VD и подается на конденсатор С1. Через резистор RЗ конденсатор заряжается до напряжения пробоя динистора VD1. Динистор разряжается на последовательную цепочку, содержащую один из резисторов R5, R6 или R7 (подключаемые переключателем SА), и измеряемое сопротивление Rх. После окончания разряда конденсатор С1 опять заряжается от выпрямителя и процесс повторяется.

Рис. 110. Принципиальная схема индикатора типа ИРЦ 25/50 (а); варианты подключения индикатора для измерения сопротивления элементов изоляции «рельс-накладка» (б) связной полосы (в), серег крепления стрелочного электропривода (г)

Напряжение с подключенного резистора R5, R6 или R7 подается на вход порогового устройства, выполненного на микросхеме DА, порог срабатывания которого определяется сопротивлением резистора R8 и стабилитроном VDЗ. Сопротивления резисторов R5, R6 и R7 подобраны таким образом, чтобы падение напряжения на них при разряде конденсатора С1 при снижении сопротивления Rх было достаточным для срабатывания порогового устройства. Контролируемые сопротивления изоляции резистора Rх при подключении резисторов R5, R6 и R7 соответственно 2, 20 и 200 Ом. Если сопротивления Rх меньше указанных значений при соответствующем положении переключателя SА, срабатывает пороговое устройство, импульс, с выхода которого через конденсатор C2 поступает на вход схемы индикации, выполненной на транзисторе VТЗ и тиристоре VS, и загорается лампа НL. Питание схемы индикатора включают кнопкой SВ только на период измерения. Существует несколько вариантов подключения индикатора ИИ к различным элементам изоляции рельсовых цепей (рис. 110, б, в и г). Большинство случаев обрыва рельсовой цепи приходится на обрыв стыковых соединителей. Нормативные сопротивления стыковых соединителей выражаются в метрах эквивалентной длины целого рельса и составляют для медных приварных соединителей 9 м, стальных приварных соединителей 36 м, стальных штепсельных соединителей 123 м. Сопротивление постоянному току рельса марок Р50 и Р75 длиной 1 м соответственно 3,33 10^-5 и 2,54 10^-5 Ом.

При наличии стыковых соединителей различных типов сопротивление рельсовых стыков в большинстве случаев равно от 1 до 20 м эквивалентной длины; при отсутствии стыковых соединителей сопротивление стыков равно от 2 до 200 м эквивалентной длины.

Для измерения сопротивления рельсовых стыков применяют стыкоизмерители типов ЦНИИ-56 и ИЭСС-1М.

При электротяге постоянного тока измерительный прибор стыкоизмерителя - гальванометр G (рис. 111, а) - работает от тягового тока, протекающего по рельсовой нити, а при электротяге переменного тока и автономной тяге - от источника питания - сухого элемента GВ с током короткого замыкания примерно 30 А или от переносного аккумулятора (показано штриховой линией). Схема прибора собрана по принципу неполного моста, дополняемого двумя плечами при установке стыкоизмерителя на путь (сплошной рельс длиной 1 м и стык рельсов с двумя концами рельсов общей длиной 1 м). После подключения прибора переключатель SА необходимо установить в такое положение, чтобы уравновесить мост, т.е. добиться нулевого показания гальванометра G. При этом выполняется условие равновесия моста, заключающееся в том, что произведения сопротивлений противоположных плеч равны. Обозначим суммарное сопротивление от точки К1 до точки подключения переключателя 8А через К1, а от точки подключения переключателя SА до точки К2 через R2. Тогда
R_P R1=R_СТR2, откуда Rст=Rр(R1/R2).

Отношение R1/R2 определяет, во сколько раз сопротивление стыка Rст больше сопротивления Rр отрезка целого рельса длиной 1 м. При данной схеме стыкоизмеритель позволяет измерить сопротивление стыка, не превышающее 9 м эквивалентной длины, т. е. фактически предназначен только для измерения медных соединителей. Изменив сопротивления резисторов (значения в скобках), можно расширить пределы измерения прибора до 200 м эквивалентной длины, что позволяет измерять сопротивления стыковых соединителей любых типов.

Рис. 111. Схема стыкоизмерителя типа ИЭСС-1М (а) и его подключение к рельсам (б)

При подключении измерителя (рис. 111,б) необходимо следить за тем, чтобы рельсовые накладки и стыковые соединители полностью находились между зажимами К1 и О, а также за тем, чтобы между зажимами и рельсовой нитью был хороший контакт.

Измерить сопротивление в стыках можно при помощи прибора ПК-1М.

Наиболее важна проверка электрической целости стыковых и стрелочных соединителей при техническом обслуживании не обтекаемых параллельных ответвлений стрелочных изолированных участков, так как обрыв цепи не обтекаемых ответвлений может привести к ложному контролю свободности стрелочной секции. При отсутствии описанного выше прибора исправность дублированных не обтекаемых соединителей и стыковых соединителей можно проверять токоизмерительными клещами типа Ц-90, фиксируя ток в каждом из соединителей при наложении на конец ответвления нормативного шунта.

Электрическую целость стыковых соединителей не обтекаемых ответвлений можно проверять также наложением нормативного шунта на конец этого ответвления. При этом остаточное напряжение на путевом реле в импульсных рельсовых цепях постоянного тока не должно превышать 60% напряжения притяжения путевого реле, в фазочувствительных рельсовых цепях с реле типа ДСШ - 85 % напряжения отпускания и во всех остальных рельсовых цепях - 60 % напряжения отпускания. Если путевое реле находится на большом расстоянии от рельсовой линии, то остаточное напряжение можно измерять не на путевом реле, а на рельсах релейного конца.

Исправность стыковых соединителей, не обтекаемых током, можно проверить индикатором тока. Шунт накладывают на параллельное ответвление. В исправном соединителе будет протекать ток, наличие которого будет определять индикатор.

При поиске отказов в рельсовой цепи часто требуется определить обрыв или повышение сопротивления в месте соединения элементов рельсовой линии. Для этого измеряют напряжение между рельсовыми нитями до и после соединителя или же измеряют напряжение на каждом соединителе по обеим рельсовым нитям. При измерении напряжения на переменном токе и использовании комбинированного прибора Ц4380 повышение чувствительности может достигаться измерением напряжения амперметром переменного тока этого прибора на шкале 0,006А. Максимальное полное отклонение стрелки прибора будет иметь место при напряжении на соединителе 0,09В. В то же время полное отклонение стрелки вольтметра переменного тока в комбинированном приборе Ц4380 наблюдается при напряжении 0,3 В. На участках с автономной тягой при ложном контроле занятости рельсовой цепи для приблизительного обнаружения места обрыва стыкового соединителя применяют такой способ. К тросам на питающем конце рельсовой цепи подключают вольтметр PV(рис. 112), который покажет скачкообразное увеличение или уменьшение напряжения в тот момент, когда поезд хвостом или головой проследует за неисправный соединитель. Этот метод сокращает время обнаружения отказа.

Рис. 112. Схема определения обрыва стыкового соединителя при проходе поезда

Проверка чередования полярности в рельсовых цепях. Для безопасности движения большое значение имеет правильное чередование полярности тока в рельсах соседних рельсовых цепей. Чередование полярности тока проверяют регулярно в соответствии с графиком технологического осмотра. Кроме того, такую проверку следует выполнять после замены аппаратуры питающего конца рельсовой цепи или после работ, связанных с отключением кабельных жил, дроссельных и кабельных перемычек комбинированным прибором типа Ц4380, индикатором ИП4П и замыканием изолирующих стыков.

В смежных рельсовых цепях постоянного тока при импульсном и непрерывном питании чередование полярности определяют вольтметром. Вольтметр включают сначала по одну сторону изолирующих стыков, а затем, поменяв концы проводов прибора, - по другую. Если стрелка прибора отклонится в одну сторону, то чередование полярностей правильное.

В смежных двухниточных рельсовых цепях с дросселями-трансформаторами (рис. 113) при правильном чередовании фаз

, а .

Признаком такого чередования фаз является выполнение условия U₁≥U₂. Если из-за действия помех не удается достаточно точно измерить эти напряжения, то следует замкнуть один из изолирующих стыков и убедиться в реакции путевых реле. При правильном чередовании полярности в зависимости от расположения питающих и релейных концов по отношению к исследуемому стыку реакция путевых реле будет такой.

Рис. 113. Схемы проверки чередования полярности в двухниточных рельсовых цепях с ДТ (а), в двухниточных рельсовых цепях без ДТ (б), двух- и однониточных рельсовых цепях (в) и в однониточных рельсовых цепях (г)

Правильность чередования фаз при стыковании двухниточных рельсовых цепей без дросселей-трансформаторов проверяют измерением напряжений в соответствии со схемой (рис. 113,б). Условие правильного чередования полярности: меньшее из U₃ и U₄ больше большего из U₁ и U₂, т.е. [U₃, U₄]>mах[U₁, U₂].

При отсутствии уверенности в выполнении данного неравенства необходимо замкнуть изолирующие стыки и убедиться в правильности чередования полярности.

Правильность чередования полярности при стыковании двух- и однониточной рельсовых цепей (рис.113,в) проверяют таким образом. Отключают напряжение на вторичной обмотке питающего трансформатора в двухниточной рельсовой цепи. Замыкают изолирующие стыки. Необходимо убедиться, что сектор путевого реле двухниточной рельсовой цепи опускается вниз.

При стыковании однониточных рельсовых цепей (рис.113,г) чередование полярности будет правильным, если выполняются условия U₃<U₁, и U₃<U₂.

Правильность чередования полярности при стыковании двухниточной рельсовой цепи с непрерывным питанием с импульсной рельсовой цепью или с рельсовой цепью с числовым кодом проверяют замыканием изолирующих стыков при отключенном напряжении питания в рельсовой цепи с непрерывным питанием. При правильном чередовании полярности сектор путевого реле рельсовой цепи с непрерывным питанием должен двигаться в сторону нижнего ролика.

Измерение сопротивлений балласта и шпал. На практике измерения достаточно проводить через каждые 200 - 300 м длины рельсовой цепи. От исправности стрелочных соединителей зависит безотказная работа рельсовых цепей, поэтому необходимо проверять целость этих соединителей и надежность их контактирования в местах соединения с рельсами.

Рис. 114. Схема измерения параметров железобетонных шпал

В некоторых случаях для оценки качества балласта или степени его старения требуется знать его удельное сопротивление, которое можно определить, например, измерителем сопротивления балласта типа ИСБ-1. Одним зажимом прибор подключают к рельсу, а другим - к металлическому стержню, вбитому в пространство шпальной решетки в балластную призму. Если длина стержня 70 см, а диаметр 2,5 см, то удельное сопротивление балластного материала 90 Ом•см.

Ориентировочно удельное сопротивление асбестового балласта (6 — 10) 10³ Ом•см, щебеночного (2 - 5) 10³ - 20³ - 50³ Ом•см. В солончаках при заносе шпальной решетки песком с примесью солей свыше 30% удельное сопротивление грунта достигает 500 - 800 Ом•см.

Контрольные измерения железобетонных шпал обычно проводит электромеханик по схеме, приведенной на рисунке 114. Сопротивление сухой железобетонной шпалы при температуре воздуха около плюс 20⁰С должно быть не менее 9,2 кОм, а сопротивление влажной шпалы - не менее 4,6 кОм. По данной схеме можно измерять и сопротивление изоляции каждого рельсового звена перед его укладкой. При сухих шпалах это сопротивление должно быть не менее 400 Ом, а при влажных — не менее 200 Ом.

Сопротивления шпал целесообразно измерять в сухую погоду при сухой поверхности шпал и рельсовых скреплений. При измерениях могут использоваться комбинированные приборы типа Ц-435, мост постоянного тока типа МВУ-49, а также измеритель сопротивления балласта типа ИСБ-1.

Рекомендованная литература:[4,6,7]

ЛЕКЦИЯ 16