Устройство для измерения сопротивления изоляции изолирующих стыков

)4 В 61 1, 23/16 Бюл. Р 43й институт ио транспорта нер(088.8)свидетельство СССРВ 61 1, 23/16, 1983. ИЗМЕРЕНИЯ ПРОУСТРОИСТ к ру ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ ЯОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) АвторскоеВ 1144922, кл. ТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ИЗОЛИРУЮЩИХ СТЫКОВ(57) Изобретение относится к железнодорожной автоматике, а именно к определению переходного сопротивления изолирующих стыков рельсовых цепей, Цельизобретения - расширение диапазонаизмерений. Указанная цель достигаетсятем, что устройство позволяет обнаруживать короткое замыкание между однимиз рельсов 27 и накладкой 36 в изолирующем стыке 25 сразу на обоих рельсах железнодорожного пути. 11 ил.1523451 орректор М. Шар Заказ 6996/20 0 ПодписноеВНИИПИ Государс по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССЖ, Раушская наб д. 4/5 енно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 ПроизвоИзобретение относится к железнодорожной автоматике, а именно к определению переходного сопротивления изолирующих стыков рельсовых цепей.Цель изобретения - расширение диа 5 пазона измерений.На фиг. 1 изображена Функциональная блок-схема устройства; на фиг. 2- электрическая схема участка рельсового пути с измеряемыми изолирующими стыками; на фиг. 3 - первая эквивалентная схема участка рельсового пути; на Фиг. 4 - вторая эквивалентная схема участка рельсового пути; на Фиг, 5 а-ж- линейныедиаграммы потенциалов на накладке и рельсах и падений напряжения на переходах накладка- рельс; на Фиг. 6 - взаиморасположение рельса, накладок и пластин двух емкостных датчиков; на Фиг. 7 - первая эквивалентная схема части тракта прохождения сигнала; на фиг. 8 - вто:,рая (мостовая) эквивалентная схема части тракта прохождения сигнала; на фиг. 9 - взаиморасположение поверхностей рельса, накладки и емкостных пластин в пространстве; на Фиг. 10 -первая эквивалентная схема частитракта прохождения помехи на фиг.11- вторая (мостовая) эквивалентная .схема части тракта прохождения помехи.Устройство содержит генератор измерительной частоты, подключенный через резонансный конденсатор 2 к питающим индукторам 3 и 4 обоих рель сов, приемную индуктивную катушку 5, подключенную через селективный усилитель 6 и выпрямитель 7.преобразователя сигнала индуктивного датчика к одному входу делителя 8 напряжений каждого из четырех измерительных каналов, каждый из которых содержит емкостной датчик состоящий из двух емкостных пластин 9 и 10 (для первого канала), подключенных через входной трансформатор 1 1 к входу преобразователя сигнала емкостного датчика, состоящего из селективного усилителя 12, фазового детектора 13, подключенного через трансформатор 14 полосовой Фильтр 15 и Фазовращатель 16 к выходу генератора 1, фильтра 17 нижних частот, выход которого подключен к второму входу делителя 8 напряжений, к выходу которого подсое динен регистратор 18.Кроме того, устройство содержит емкостные пластины 19 и 20 второго2- 06 лала, 21 и 22 третьего и 23, 24четвертого, шины от общего трансФорматора 14 к канальным полосовымфильтрам 15 и далее через канальныеФаэовращатели 16 к фазовым детекторам 13 других каналов, шины с выходапреобразователя сигнала индуктивногодатчика к делителям 8 напряженийдругих каналов. Все четыре каналааналогичны.Устройство размещено на рельсахс изолирующими стыками 25 и 26,разделяющими рельсы 27, 28 и 29, 30,емкостные пластины находятся в зонеизолирующих стыков,. а колесные оси31 и 32 вагона находятся па обе стороны от изолирующих стыков.Дроссель-трансформаторы 33 и 34(фиг. 2) подключены у изолирующихстыков с каждой его стороны к рельсам, скрепленым металлическими накладками 35-38.Устройство работает следующим образом,В момент измерения сопротивленияизоляции в изолирующих стыках 25 и26, разделяющих рельсы 27, 28 и 29,30, емкостные пластины 9, 10, 19-24находятся в зоне изолирующих стыков,а колесные оси 31 и 32 вагона находятся по обе стороны изолирующихстыковСопротивления 2 , колесной оси 31,Е , . рельс 27 - земля и Е . рельс28 - земля составляют треугольниксопротивлений, который преобразуется в звезду сопротивлений Е , Еи Е, по Формулам1523451 5При этом эквивалентная схема нафиг. 2 переходит в эквивалентнуюсхему на фиг. 3.Индукторы 3 и 4, питаемые генератором 1, наводят в рельсах 27 и 28,5ЭДС соответственно Е р, и Е р.Эквивалентная схема на фиг, 3является многоконтурной, в которойпри исправных изолирующих стыках токв основном протекает в первом, контуре, образованном сопротивлениямиотрезков рельсов 27 и 28 с наведенныФми ЭДС ЕР Е Р, сопротивлением ос,новной обмотки дроссель-трансформато 15раЗЗиЕ, ЕоУравнение для контурного тока 1 Римеет вид 20 гдеР,и Е Р - сопротивления отрезков рельсов 27 и 28между колесной осью 31и стыками;Е т - комплексное сопротивление основной обмотки дроссель-трансформатора 33.По данным измерений на частоте50 кГц в дроссель-трансформаторетипа ДТ.-02-1000, нагруженном на аппаратуру релейного конца, Ед = 9 хиСопротивления рельсов длиной 10 м на частоте 50 кГц равныВо 35ЕР,= 2 р.= 3 е Ом.Как видно из фиг. 3, при симметрии верхней и нижней ветвей первого,контура ток в перемычку, соединяющуюсредние точки дроссель-трансформато ров ЗЗ и 34, не ответвляется.При нарушении симметрии первогоконтура часть токапроходит по перемычке на среднюю точку дроссельтрансформатора 34, разветвляется на обе его полуобмотки и замыкается через сопротивления Е , Е р коротких( - 1 м) отрезков рельсов 29 и 30, сопротивления Е, Е рв, Е о , Е оо 1 р 2 и сопротивление Е кузова ваго 50 - о - квна.При встречном протекании токов по полуобмоткам ДТих мдгнитные поля взаимно компенсируются и со55 противления полуобмоток для токов становятся чисто активными и равными 0,5 К д,. По паспортным даннымКдт "0,001 Ом. бС учетом, что спереди и сзади вагона находятся много колесных осей, можно считать, что 2 , Е( (с ЕР тогда из (1) и (2) следует что Е,=Е о=Ее =Е дЕ р 1Поскольку отрезки рельсов 27 и 28 в момент нахождения емкостных пластин над стыком значительно длиннее отрезков рельсов 29 и 30 сопротивлениями Еи Епоследнпх можно пренебречьС учетом вышеизложенного в эквивалентной схеме на фиг. 3 можно пренебречь сопротивлениями Е Р, Е Е ЕРою о ф оф Ео р Ео 5 Ор 5 ать при этом эквивалентная схема (фиг. 3) переходит в эквивалентную схему на фиг. 4, из которой видно, что напряжения между смежнымн рельсами равны половине напряжения ц, -О на основной обмотке ДТ 33.На фиг. 4 также показаны переходные сопротивления 2 н; Р: накладка- рельс и обходное сопротивление 2 состоящее из параллельного соединения (2 оз+206) и Е кв из Фиг. 3 Е,.= (Е, +, )И Е. (4)Падения напряжения накладка -1рельс по смежным рельсам распределяются пропорционально переходным сопротивлениям накладка - рельс,Падения напряжения накладка - рельс равны: накладка 35 - рельс 27 Е .,- Р 1ц - (ц - ц , ) (5)Аналогично определяются падения напряжения для второй нитки между накладками 37 и 38 и рельсами 28 н 30.ПРН 7. Н 1 Р,= 3 , ,СТЫК ИСПРаВЕН) имеемЦн-Р 1 1 н- Рь 05(ЦР 1 Цсщ -Оф 25(ЦР 1 Ц Р) (9) т.е. напряжения накладка - рельс ло смежным рельсам равны и противоположны по фазе.Б р (1) (фиг. 5) преобразуется во временную И ,(с) на пластинах 9 и 10 емкостного датчика, Как видно из фиг. 5, в точке стыка 25 происходит изменение фазы функций 6 .р (1) и5 Бна 180, вследствие чего полярность напряжения на выходе фазового детектора 13 и полярность сигнала Б на выходе делителя 8 изменяются на противоположную. При этом изображение функции Б (1) на носителе информации подобно функции 0р (1) (фиг. 5) с переходом из положительной области в отрицательную на границе стыка 25Фильтр 17 нижних частот, подсоединенный к выходу фазового детектора, служит для подавления высокочастотных составляющих выпрямленного сигнала.Основной характеристикой всякого измерительного устройства является его помехоустойчивость, определяемая отношением сигнал/помеха, поэтому 25 определяем напряжения сигнала и помехи на входе приемника.Для снятия с участка накладка - рельс как можно большего сигнала необходимо иметь как можно сильнее не- равенство 10 С р пт С р 1-п-- ) -- ф Сн-п С н-п где Ср, ,и Ср, - емкости между рельсом 27и пластинами соответственно 9 (П 1) и 10 (П 2); 35 С и-пти С , п - емкости между накладкой 4035 (Н 1) и пластинами 9и 10.Как видноиз фиг. 6, пластина 9 ближе к рельсу 27, чем к накладке 35, помимо того, накладка 35 экранирова на от пластины 9 рельсом 27С другой стороны, рельс 27 и накладка 35 примерно равноудалены от пластины 10, а площадь накладки 35, обращенная к пластине 10, больше площади головки рельса 27. Все это вместе обеспечивает выполнение неравенства (9).Как видно из фиг. 7 и 8, полюса рельс 27 - накладка 35 и пластина 9 пластина 10 образуют диагонали моста, а емкостные переходы - его плечи. Тогда неравенство (9) есть условие неравновесия моста, а переход неравенства (9) в равенство - условие равновесия моста с прекращениемпередачи сигнала из диагонали рельснакладка в диагональ пластина 9пластина 10, в которую через трансформатор 11 включена нагрузка 7,1 сВнутреннее сопротивление 2 иссточника сигнала Е в диагоналисмоста рельс - накладка вследствиеобычного загрязнения промежуткарельс - накладка не превышает 10 кОми пренебрежимо мало относительносопротивлений емкостных переходовв плечах моста.Для количественной оценки силынеравенства (9) произведем ориентировочный расчет переходных частичных емкостей в соответствии со стилизованным представлением поверхностей головки рельса 27, накладки 35и пластин 9 и 10 на фиг. 9.На фиг. 9 размеры а р а , а р,Ь , Ь, и Ь обозначают соответственно ширину пластин 9 и 1 О,поверхности головки рельса 27, накладки 35, расстояния между краямипластин 9 и 10, высоту подвеса пластин 9 и 10 над поверхностью головкирельса 27 и над верхним краем накладки 35.Для расчета принимаем следующиеразмеры в метрах, соответствующиереальным, а также условиям габарита а 0 1 а 0 15 ф а0 1 фДлину пластин 9 и 10 вдоль рельса принимаем 1= 0,2 м, Емкость между рельсом и пластиной определяемиз графика на фиг, 4-8. Расчет электрической емкости для а /Ь, == 0,1/0,15 = 0,66; для абсциссы 0,66ордината на графике равна С / Е =1,7, откудаСр = 1 п,Е(С/Е) = 0,2 Е 1,70,34 Е = 3,01 пф,-2где Е = 8,842 10 Ф/км - диэлектрическая проницаемостьвакуума.Для борьбы с синфазной помехойотношение площадей пластин 9 и 10выбираем таким, что С ,= С , итогда Ср,. п= 3,01 пФ.Емкость между накладкой 35 и пластиной 9 определяем по формулеКн 1- П 1 й(цо црДля нахожденияния Ц, равногония на половине осТ-ЗЗ, определяемормулы (3), подстные данныепадению на новной обмо вначале ток яжеи 2. и 1 Е 2 -К= 2,3 пф, 25Определяем емкость С ,. междунакладкой 35 и пластиной из графика на рис. 4-9 между пластинами,расположенными на гранях двухгранного угла,Для а/Ь= 0,15/О, 15 = 1 и с==265 пф.Неравенство С н,.С , объяется тем, что площадь пластины 10больше площади пластины 9.Таким образом, рассчитанные частичные емкости переходов имеют следующие значения; Ср= С р- ат = 4/С ,будет больше рассчитанноговследствие того, что рельс экранирует пластину от накладки, это ещебольше усиливает неравенство (9) .Действительные значения емкостейпереходов будут больше рассчитанных,так как в расчетах не учтена дополнительная емкость от краевого эф+Е р")есь токпроходие ДТ 33 йолучаем= -0,031 е В,падение напряженияна основной обмоткеДТ 33,ротивления емкосту рельсом 27 и най стороны и пластигой стороны дт сня Определяем сопных переходов междкладкой 35 с одннами 9 и 10 сдр 3140 3,0110)сС2,4.10 кт жение сигнала еделяемна пласти промежутк для случая ьсом 29 и яжения сиг испольентном генеа для определения наЦа на пластинахтеорему об эквив ме е акл атор Расчет электрической емкости,где К и К - полные эллиптическиеинтегралы первого рода, причем К (1)=К)г ), )г и )г= /Т - р - аргументыинтегралов,Аргумент 1 определяется по формувляя численные значенияа н = О, 15; Ь = О, 25 в1 - г = 0,346.цах эллиптических интеграм КЬ) = К(0 94) = 2 493 1 с) = К(0,346) = 1,621. ляя найденные значения (10), получаем С н д=02 Е 2=0,26 Г=е1 6212 493 Исходные данные для расчета.Наведенная в рельсе ЗДС 2 Е р = = 0,1 В частотой Г = 50 кГц. Полное сопротивление основной обмотки ДТ,2 на частоте 50 кГц при включенной аппаратуре релейного конца 2=Ое= 9 еОм. Полное сопротивление отрезков рельсов длиной 10 м на частоте 50 кГц Е = Е, = Зеф Ом, 2= Ео = О Из формулы (5) находимпряжения между накладкойсом 27 при Е, = О.Определяем ЭДС Е эквивалентногоэ,генератора сигнала, как напряжениехолостого хода на пластинах 9 и 1 Ов мостовой схеме на фиг. 8 с генератором, ЭДС которого согласно (12)равна Е = (П , р,) = -0,031 еВ,а внутреннее сопротивление пренебрежимо мало относительно сопротивленийплеч моста10 6. р 1-пг Ес( Е э,с в 1- пг,хх п 2 - н 1-пг +Е- Р 1- П 1 Е Н 1-01(-0,031 е ) 0,036 = -0,00112 еВ = -1,12 е г мВ.Таким образом, ЭДС эквивалентного генератора сигнала равнаТаким образом, внутренне сопротив-. ление эквивалентного генератора равно 23 = Ейс = -1 2,32 10 6 Ом.Нагрузкой Еэквивалентного генератора, подсоединенной к полюсам, является входное сопротивление селективного усилителя, пересчитанное в первичную обмотку трансформатора 1 1.45 По данныи лабораторных испытаний= 50 10 ве гОм.Определяем ток сигнала в нагрузке эквивалентного генератора50(21) 55- з" 2,29 10 е Находим напряжение сигнала на на- грузке Находим входное сопротивление (фиг, 8) по отношению полюсов П 1- П 2 при закороченных полюсах Р 1 Н 1: 30 П = 3 2,= (-0,489 101 е 1 )"50 10 в е = - 24,5 10 е В - 24,5 10 е В . (22)Таким образом, напряжение сигнала У на нагрузке 2составляет Пс24,5 10е 1 " Б, что по модулю в 30 раз выше минимально-допустимого значения входного напряжения для малошумящих интегральных аналоговых микросхем. Большое превышение уровня сигнала над собственными шумами позволяет снизить величину наведенной в Рельсах ЭДС (Е р,+ Е рг)При С = С р. г синфазная помеха, наводимая на входе приемника потенциалом рельса относительно другого рельса, отсутствует. Однако при колебаниях вагона в движении равенство емкостей нарушается. Благодаря установке обеих пластин датчика по одну сторону рельса, нарушение равенства емкостей при горизонтальных колебаниях вагона незначительно.Действие синфазной помехи происходит следующим образом.Между рельсами 2 и 29 существует разность потенциалов (фиг, 4).Ур Орв= Пр У (23)От этой разности потенциалов возникает ток, который проходит по цепи (фиг, 10): рельс 27, емкостные переходы С, ,и С ,, емкостные переходы Смежду первичной и вторичной обмотками трансформатора 11, емкостные переходы Смежду концами вторичной обмотки трансформатора 11 и входными полюсами усилителя 12 с одной стороны и корпусом вагона с другой стороны, корпус вагона - колесная ось 32 - рельс 29Для упрощения расчетов заменяем обе обмотки трансформатора 11 в схеме на фиг. 10 сопротивлением нагрузки Е= 50 10 ве 1, принятым в расчете напряжения сигналаи приходим к схеме на фиг. 11Для уменьшения синфазной помехи принимаются известные меры по уменьшению С 1, и Сц ; ориентировочно принимаем С = С= 2 10 " Ф.Вследствие колебаний вагона разность емкостных переходов С р,., и с р 1 11 г достигает ЗЕ, тогда согласно (13) Е,= -1 2,11 10 Ом, а 26Вычисляем сопротивления плеч моста в схеме фиг. 11, состоящих из паразитных емкостейЕ = Е + Е1=-0,000248 е В = -0,248 е мВ,35Находим входное сопротивление схемы на фиг. 11 относительно полюсов 9-10 при закороченных полюсах 27-29 Е у.п 2 с Е р пЕс2 р-п +Ес Е р-пв+Ес2 11 3 19 2 05 3,19(2 б)45 Определяем ток помехи в нагрузкеэквивалентного генератораЕ, -0 248 10-ве 1"э,п :,в.к,п 2 + -3 2,43 10+50 10 э е"-0,248 10-эе 3 - -0 103,2 4,10 -7 вв. 50 10А. (27)Находим напряжение помехи на нагрузке 2О, = 2= (-0,10310 е )77 ф 55зоф -с11 х 50 10 в е = -5,15 10 е В = =5,1510 еВ. (28) Для определения напряжения помехи Уна пластинах 9-10 используем, как и для расчета напряжения сигнала Б , теорему об эквивалентном генераторе.15Определяем ЭДС Еэквивалентного генератора помехи, как напряжение холостого хода на пластинах 9-10 в мостовой схеме на фиг. 11 с генератором, ЭДС которого согласно (22) и (12) равна Е и = Ж р П )20 = 0,031 е 1 В, а внутреннее сопротивление (2+ 0,252 А) пренебрежимо мало относйтельно сопротивлений плеч моста 25 Сравнная И их (22) и Бп из (28),видим, что И /11 и = 4,76, что достаточно для получения необходимой помехоустойчивости устройства. Помимо того,что паразитные связи в приемнике нечисто емкостные, а комплексные, благодаря чему Йп сдвинуто по фазе отчто дает дополнительное подавление помехи в фазовом детекторе 13.Для получения еще большего отношения сигнал/помеха можно применитьизвестные методы: уменьшение паразитных емкостей, корреляционная обработка смеси сигнал + помеха, применениесимметричных операционных усилителейс большим затуханием синфазной помехии др.Предложенное устройство по сравнению с известным имеет более широкие функциональные способности и область применения, так как может обнаруживать предотказное состояниеизолирующего стыка в виде пониженногопереходного сопротивления накладкина один рельс и может применяться научастках с электротягой,Суммарная потребность в устройствев случае установки его в вагонах исамоходных дрезинах в хозяйствах сигнализации и связи, пути, электрификации и метрополитенов МПС, а также вдругих ведомствах, использующих рельсовый транспорт, ориентировочно составляет 200 шт. Формула изобретенияУстройство для измерения сопротивления изоляции изолирующих стыков, содержащее генератор измерительной частоты, соединенный с установленными над рельсом питающим индуктором, емкостные датчики с размещенными горизонтально в ряд пластинами, одна из которых каждого датчика ориентирована на рельс, связанные через один из преобразователей сигнала с первым входом делителя напряжений, соединенного выходом с входом регистратора, и установленную над рельсом приемную индуктивную катушку, подключенную через другой преобразователь сигнала к второму входу делителя напряжений, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений, ряд горизонтально размещенных пластин емкостных датчиков ориентирован перпендикулярно рельсам, причем другие пластины каждого.3 емкостного датчика установлены наднакладкой изолирующего стыка, пластины выполнены с соотношением площадей одной и другой в каждом датчике, равным отношению расстояний повертикали от них соответственно до рельса и до накладки, с величинамиемкости между каждой пластиной ирельсом, равными между собой, а питающий индуктор и приемная индуктивная катушка установлены над рельсомперпендикулярно его оси.