Способ измерения износа провода контактной сети и устройство для его осуществления

 

Использование: электроснабжение железных дорог, системы контроля износа проводов контактной сети в процессе движения . Сущность изобретения: предусматриваются измерение распределения нормальной составляющей напряженности электрического поля, создаваемого проводами контактной сети, вдоль проводящей поверхности измерительного пантографа, удаленной от проводов на фиксированное расстояние, и оценка степени износа по этому распределению. При этом о величине напряженности поля судят по значению поверхностной плотности заряда вдоль поверхности пантографа. Для осуществления способа в устройстве верхняя проводящая поверхность пантографа выполнена в виде гребенки с изолированными друг от друга лепестками. Каждый лепесток через истоковый повторитель и коммутатор подключен к входу АЦП, выход которого соединен с компьютером . Шаг гребенки и ее расстояние от проводов выбираются с учетом требуемой точности измерения износа. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s В 60 М 1/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4810806/11 (22) 04.04.90 (46) 23.11.92. Бюл. М 43 (71) Институт физики металлов Уральского отделения АН СССР (72) Л.Д.Будрин, В.fl.Áûêoâ и Б.С.Слепак (56) Авторское свидетельство СССР

hL 152066, кл. G 01 В 7/28, 1962.

Авторское свидетельство СССР

N 1147611, кл.В 60 M 1/12, 1982. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА ПРОВОДА КОНТАКТНОЙ СЕТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: электроснабжение железных дорог, системы контроля износа проводов контактной сети в процессе движения. Сущность изобретения: предусматриваются измерение распределения

Изобретение относится к электроснабжению железных дорог и предназначено для бесконтактного измерения износа проводов контактной сети в процессе движения независимо от времени суток, погодных условий, скорости движения и количества проводов в подвеске. Оно может быть использовано также и во всех других случаях, когда требуется контролировать или измерять геометрические параметры поверхности протяженных деталей при условии, что поверхность этих деталей является проводящей.

Известен ряд способов измерения износа проводов контактной сети или размеров деталей, основанных на измерении параметров электрического или магнитного полей, создаваемых контролируемыми про„,!Ж„, 1776587 А1 нормальной составляющей напряженности электрического поля, создаваемого проводами контактной сети, вдоль проводящей поверхности измерительного пантографа, удаленной от проводов на фиксированное расстояние, и оценка степени износа по этому распределению. При этом о величине напряженности поля судят по значению поверхностной плотности заряда вдоль поверхности пантографа. Для осуществления способа в устройстве верхняя проводящая поверхность пантографа выполнена в виде гребенки с изолированными друг от друга лепестками. Каждый лепесток через истоковый повторитель и коммутатор подключен к входу АЦП, выход которого соединен с компьютером. Шаг гребенки и ее расстояние от проводов выбираются с учетом требуемой точности измерения износа. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. водами или деталями. Так, например, реализуется способ измерения переменного магнитного поля, создаваемого вихревыми токами, наводимыми специально созданным высокочастотным электромагнитным полем в нижней изношенной части провода.

Недостатком этого способа является принципиальная невозможность определения износа при двух и более проводах над измерительным пантографом, при полной неопределенности их положения, Это вызвано тем, что высокочастотное поле, возбуждающее вихревые токи, и измеряемое поле, создаваемое этими токами, должны инициироваться и приниматься одной и той же протяженной катушкой (с отдельными обмотками для этих целей). Если в поле такой катушки попадают несколько проводов, то

1776587 невозможно ни разделить их вклад в суммарное поле, ни определить их количество, В качестве прототипа предлагаемого способа может быть рассмотрено изобретение по авт. св, М 152066, в котором измерение размеров проводящей детали основано на принципе электростатической индукции, т.е. измеряются параметры наводимого электрического поля (а не магнитного). В этом способе используется один контрольный электрод, вблизи которого движутся (за счет движения контролируемой детали) периодически повторяющиеся элементы этой детали (Фрезы, шестеренки и т.д.), размеры которых должны контролироваться; при этом между проводящей деталью и контрольнымым электродом приложена разность потенциалов. При прохождении каждого элемента детали вблизи электрода на последнем индуцируется электрический заряд, величина которого зависит от конфигурации элемента и его расстояния от электрода, т,е. от размеров элемента, Измеряя переменное напряжение на электроде, можно по величине каждого максимума и по форме напряжения судить о размерах каждого элемента контролируемой детали. Недостатком этога способа, не позволяющим применить ега для измерения износа проводов контактной сети, является наличие одного электрода, и, соответственно, измерение интегрального индуцираванога заряда. При измерении износа проводов этот признак — интегральный индуцированный заряд — не несет в себе полезной информации, т.к. величина заряда зависит от разности потенциалов и расстояния между проводом и контрольным электродом и практически не зависит от степени износа провода.

В качестве прототипа предложенного устройства может быть взята изобретение по авт. св. Q 1147611, в котором также из. нос провода контролируется через параматры его электрического поля, но при этом достигается независимость измерений от числа проводов и их расположения над измерительным пантографом (измерительной

"лыжей"). В этом устройстве вдоль всей измерительной лыжи, поперек провода, располОжены изолированные друг от друга контактные пластины, к каждой из которых подключено па дополнительному электроду. Между рядами электродов, подключенных к пластинам и независимых от пластин, соединенных параллельно и подключенных к одному потенциалу, расположена диаграммная бумага.. Если некоторые пластины касаются изношенной части провода, та на них появляется соответствующее напряже5

55 ние, регистрируемое диаграммной бумагой.

По ширине зафиксированной íà бумаге полоски можно судить о ширине площадки износа. Недостатком этого устройства, снижающим его точность и эффективность, является необходимость надежного контакта между измерительной лыжей и площадкой износа. В процессе движения такой контакт очень трудно обеспечить и, кроме того, поверхность площадки износа, как показали исследования, не является плоской— в первом приближении она представляет собой поверхность цилиндра большого радиуса (c углом дуги, примерно, 2-Зо). При этих условиях точность измерения износа не может быть достаточно высокой, а сами измерения сопровождаются слишком высоким уровнем шумов и помех, чтобы обеспечить достоверность при однократном измерении.

Цель изобретения — повышение точности измерений износа провода контактной сети при одновременном достижении независимости этих измерений ат количества проводов контактной сети, скорости движения при измерении и других эксплуатационных факторов, Поставленная цель достигается тем, чта вдоль проводящей поверхности, расположенной поперек провода и удаленной от него на фиксированное расстояние, измеряют распределение поверхностной плотности индуцированного заряда, по полученным значениям плотности находят распределение нормальной составляющей электрического поля и сравнивают ега с эталонным распределением, а по результатам сравнения определяют степень износа провода. Для достижения поставленной цели в устройство, реализующее предложенный способ и содержащее измерительный пантограф с проводящей поверхностью, выполненной в виде расположенной поперек провода гребенки с изолированными друг от друга лепестками, введены повторители, число которых соответствует количеству лепестков гребенки, и коммутатор с АЦП, причем гребенка удалена ат провода на фиксированное расстояние, определяемое требуемой точностью измерений, а лепестки через повторители подключены к соответствующим входам коммутатора, выход которого соединен через аналого-цифровой преобразователь с процессорным вычислителем.

На фиг.1 (а и б) показана зависимость распределения поверхностной плотности заряда о ат степени износа провода; на фиг. 2 (а-в) приведены связи между элементами устройства и показана возможная схе1776587

ЗО

45

55 ма повторителя; на фиг,З приведена эквивалентная схема измерительного тракта и вычисленная по этой схеме амплитудно-частотная характеристика всего тракта, Приведенные на фиг,1 кривые распределения поверхностной плотности заряда о могут быть вычислены из уравнения Лапласа для электрического поля между двумя проводящими поверхностями — плоской поверхностью измерительного пантографа и контролируемой поверхностью провода контактной сети. При этом следует учитывать, что проводящие поверхности являются эквипотенциальными, т.е. вектор напряженности электрического поля Е всюду нормален к этим поверхностям, а нормальная составляющая электрической индукции, т.е. величины е Е численно равна поверхностной плотности заряда в каждой точке проводящей поверхности. Учитывая сложность и возможную неточность аналитического описания поверхности провода при наличии износа, фактически лучше использовать не результаты расчетов по уравнению Лапласа, а результаты прямых экспериментальных измерений соответствующих кривых 0(у) в зависимости от степени износа на образцах реального провода. Такие кривые могут носить характер эталонов, и их можно заносить в память компьютера. Кэк видно из фиг.1, вид кривой распределения о(у) существенно зависит от формы сечения провода в его нижней части, т,е, от степени его износа

На фиг. 2 показаны все элементы и связи устройства, которое может быть использовано как для получения эталонных кривых о(у) так и для непосредственного контроля проводов в процессе их эксплуатации. На фиг. 2а показаны лепестки гребенки, расположенной перпендикулярно проводу на некотором расстоянии от него. Здесь же штриховыми линиями условно подключены взаимные емкости (С;) между каждым лепестком гребенки и проводом. Значения этих емкостей используются для расчетов требу- . емых коэффициентов передачи и постоянных времени в измерительном тракте.

На фиг, 2б показана возможная схема повторителя. Здесь обозначены:.

VT — полевой транзистор с изолированным затвором, например, 2П305 Б;

В«.,С«. сопротивление и емкость на входе повторителя;

R1, R2 — разделенная нагрузка повторителя;

R».l — сопротивление изоляции между

I-м лепестком и проводом;

Ci — взаимная емкость ме.кду I-м пепесгком и проводом контактной сети.

С помощью фиг.2б иллюстрируется работа одного канала. например, I-ro, всего устройства. Этот канал начинает работать. когда подвешенный зигзагом провод при движении пантографа достаточно приближается к I-му лепестку. При этом значение взаимной емкости CI увеличивается, и, соответственно, увеличивается заряд нэ "обкладках" конденсатора CI по формуле:

qi = Cl Unp., где U>p. — напряжение контактного провода.

На нижней обкладке конденсатора С, роль которой выполняет лепесток гребенки, заряд имеет знак, противоположный знаку заряда (и напряжения) провода: если напряжение на проводе было положительным, то на лепестке гребенки индуцируется отрицательный заряд, как показано нэ фиг.2б. Однако цепь, соединяющая лепесток с затвором транзистора VT и с обкладкой конденсатора С х., была и остается электрически нейтральной, т.е. на обкладке конденсатора C«., соединен ной с затвором, возникает точно такой же заряд qi но противоположного знака. Вследствие этого на конденсаторе С«, возникает напряжение: ! С

ql C (1)

С«. Свх. которое передается на выход повторителя с коэффициентом, близким к 1. Выражение (1) является тем более точным, чем меньше CI по сравнению с С«., более точное выражение получается с помощью эквивалентной схемы.

На фиг, 2в показана структурная схема всего многоканального устройства, позволяющего измерять распределение поверхностной плотности заряда; на ней обозначены:

1-лепестки гребенки, несущие индуцированные заряды qi, 2 — повторители, преобразующие заряды лепестков в выходные напряжения Ul;

3 — многоканальный коммутатор с числом каналов, равным числу лепестков гребенки;

4 — аналого-цифровой преобразователь.

Так как площади S всех лепестков гребенки равны, то, соответственно, все индуцированные заряды ql пропорциональны поверхностной плотности заряда aqua

=о1 S и при измерении распределения Ul вдоль гребенки в схеме на фиг.2в фактически измеряется распределение поверхностной плотности заряда, т.е. нормальной составляющей вектора индукции электриче1776587

Яввв 1 + P СВ Вивв

1 + P (С + Свв) 25 ского полл, однозначно связанного с формой изношенной части провода, Принципиальной особенностью данного изобретения является частотная зависимость коэффициента передачи всего тракта измерения из-за наличия RC-элементов, Расчет такой частотной зависимости может быть проведен с помощью эквивалентной схемы, представленной на фиг. За. Здесь обозначены:

Ви..i, Ci — соответственно сопротивление изоляции и взаимная емкость между 1-м лепестком и проводом;

C». — суммарная входная емкость повторителя;

Вэкв, — полное входное сопротивление повторителя.

Передаточная функция такой цепи имеет вид: где р — оператор Лапласа, Соответствующая амплитудно-частотная характеристика / W 0 в) / показана на рис,36.

Эта характеристика имеет две особые точки (точка перегиба), определяемые постоянными времени:

Т) = С) Виэ.i (С + C ) . R3KB. иэ.l

Йэкв. + Йиэ.i

При низких частотах а < - коэффицит ент передачи не зависит от частоты и равен

R3KB.

Вэкв. + Rw.i

При высоких частотах а > - коэффи12 циент передачи также не зависит от частоты и равен:

К2 = = — {при С) «С вх) .

С С

1 + ВХ ВХ

Информация об износе провода, таким образом, содержится в областях час1 тот со > - так как значения сопротивления г изоляции и соответственно коэффициента

К1 не связаны с износом, а полностью зависят от других факторов (конструктивных, погодных и т.д.). Реальные значения Т2 в соответствие со схемой, приведенной на фиг.26, могут быть оценены из значений

СВХ. 100 пф, йэкв. 500 ГОм, достижимых практически при хорошем исполнении входных цепей транзистора 2П305 Б, При этих значенинх Свх. и Вэкв, значение Т2 получается равным

Т2 с 50с, а период соответствующей частоты

Т= =2 Tg =314 с

-2x=

Это означает, что предложенный способ измерения износа будет работать (и не будет зависеть от скорости движения) в том случае, если один зигзаг подвески будет проходиться за время, не большее 314 с.

Учитывая, что период зигзага обычно составляет 50-70 м и во всяком случае не превышает 100 м, это соответствует скорости движения не менее, во всяком случае, 0,3 м/с, или около 1 км/час. Это ограничение является допустимым в абсолютном большинстве случаев.

Со стороны больших скоростей предложенный способ принципиальных ограничений не имеет.

Формула изобретения

1. Способ измерения износа провода контактной сети, основанный на измерении параметров его электрического поля, о т л ич а 1о шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, вдоль проводящей поверхности, расположенной поперек провода и удаленной от него на фиксированное расстояние, измеряют поверхностную плотность заряда, по полученным значениям плотности находят распределение нормальной составляющей напряженности электрического поля, сравнивают его с эталонным распределением и по результатам сравнения оценивают степень износа провода.

2. Устройство для измерения износа провода контактной сети, содержащее измерительный пантограф с поверхностью, выполненной в виде расположенной поперек провода гребенки с изолированными друг от друга чувствительными лепестками, и узел регистрации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введены повторители, число которых соответствует количеству чувствительных лепестков и коммутатор, причем чувствительные лепестки удалены от провода на фиксированное расстояние, определяемое требуемой точностью измерения, и через повторители подключены к соответствующим входам коммутатора, выход которого соединен с входом узла регистрации.

3. Устройство по п,2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что узел регистрации выполнен в виде последовательно включенных аналогоцифрового преобразователя и процессорного вычислителя отклонения текущего распределения нормальной составляющей напряженности электрического поля от эталонного распределения, 1776587

Рис. / к аоо m орил ел м юр.

АД б

Рис. 2

TfffT1 f77

1776587

Составитель Л. Будрин

Техред М,Моргентал Корректор М. Шароши

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4095 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5