Устройство контроля электрофизических характеристик подземной части железобетонных опор контактной сети

Устройство контроля электрофизических характеристик подземной части железобетонных опор контактной сети содержит генератор импульсного напряжения 6 с выходным конденсаторам эталонной емкости С_ЭТ. Выход генератора 6 соединен с входом вольтметра 5, выход которого соединен с пороговым элементом 4. Первый выход порогового элемента 4 соединен с входом таймера 3, второй выход порогового элемента 4 связан с входом преобразователя 10, в котором величину измеренного таймером 3 времени снижения выходного напряжения генератора 6 от исходного напряжения U ₁ до заданного напряжения U_K, где 0U_K<U₁, преобразуют по ранее установленной зависимости в величину сопротивления «арматура опоры - рельс». Третий выход 1 порогового элемента 4 связан с процессором 12, оснащенного оперативной памятью, выход которого связан с входом индикатора 13. Второй выход таймера 3 соединен с входом генератора 6, третий выход таймера 3 связан с первым входом коммутатора 7, второй вход которого связан с выходом генератора 6, выход коммутатора 7 связан с входом магазина сопротивлений 8, выход которого связан с входом пускателя 11. Выходные клеммы пускателя 11 соединены с арматурой 9 опоры 14 и рельсом 2, который через сопротивление 1 «грунт - бетон опоры - электролит - арматура опоры» связан с арматурой 9 опоры 14. Пускатель 11 взаимно связан с таймером 3. 2 ил.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована на электрифицированных железных дорогах для контроля электрофизических характеристик подземной части железобетонных опор контактной сети.

Нормированным критерием перевода железобетонной опоры контактной сети в дефектную, подлежащую выводу из эксплуатации, служит появление продуктов коррозии металла арматуры на поверхности бетона в подземной части опоры. («Об изменении порядка оценки электрокоррозионной опасности железобетонных опор контактной сети постоянного тока». Технические указания №К-02/06.; ЦЭт-2/18 от 15.05.06. ОАО «Российские железные дороги». Департамент электрификации и электроснабжения).

Принцип действия устройств для контроля коррозионного состояния арматуры в подземной части железобетонных опор в большинстве случаев основан на измерении электрохимических и электрофизических характеристик контакта «металл арматуры-электролит» (далее по тексту «металл-электролит»), в частности, его поляризуемости при принудительной поляризации от внешнего источника.

Известно устройство контроля коррозионного состояния арматуры по величине поляризационного потенциала контакта «металл-электролит» («Прибор диагностирования коррозионного разрушения железобетонных опор контактной сети-ДИАКОР». Руководство по эксплуатации), включающее источник постоянного тока, измерительные выходы которого подключают к рельсу и арматуре опоры, и вольтметр, который подключают между арматурой опоры и электродом сравнения. Включают устройство и по показаниям амперметра устанавливают величину постоянного тока поляризации I_ПОЛ=4,5÷6,0 мА, принудительно поляризуют контакт «металл-электролит» в течение нормированного промежутка времени (пять минут), отключают источник поляризации от арматуры и рельса, измеряют вольтметром непосредственно после отключения источника поляризации поляризационный потенциал U_ПОЛ контакта «металл-электролит» относительно электрода сравнения, формируют заключение либо о наличии (U _пол<0,6 B), либо об отсутствии (U_пол0,6 B) коррозионного разрушения арматуры в подземной части опоры.

Недостатком устройства являются высокие требования к значению предполяризационного потенциала контакта «металл-электролит», измеренная величина которого перед испытанием должна находиться в диапазоне от минус 0,04 В до минус 0,55 В. Для реализации этого условия оператору необходимо затратить от десятков минут до нескольких часов, что

ограничивает практическое применение устройства.

Известно устройство контроля состояния арматуры опоры («Указания по техническому обслуживанию и ремонту опорных конструкций контактной сети» (К-146-2002)/ МПС РФ - М.: Трансиздат, 2003, с.12. ЦЭ №197-5/1-2. Технологические карты на работы по содержанию и ремонту устройств контактной сети электрифицированных железных дорог. Книга II «Техническое обслуживание и текущий ремонт», глава 1.2. «Диагностические испытания и измерения». - М.: МПС, Департамент электрификации и электрификации. - 1999. - 427 с), с помощью которого выполняют измерение поляризационного потенциала U_ПОЛ контакта «металл-электролит». При эксплуатации источник постоянного тока устройства подключают между рельсом и арматурой опоры, а между арматурой опоры и электродом сравнения подключают вольтметр. Нормированным по величине током (до 1,5 А) от источника, в течение нормированного по длительности промежутка времени (не менее 1 минуты) выполняют принудительную поляризацию контакта «металл-электролит». По окончании поляризации источник отключают от контролируемой цепи, а через заданный промежуток времени после окончания поляризации по показаниям вольтметра измеряют потенциал арматура-электрод сравнения (пропорциональный потенциалу контакта «металл-электролит»), по величине которого, используя ранее установленные критерии, выполняют косвенную оценку коррозионного состояния арматуры в подземной части опоры.

Недостатком устройства является его низкая помехозащищенность, позволяющая проводить измерения только при длительном отсутствии тягового тока в рельсе, что на электрифицированной железной дороге с интенсивным движением реализуются редко.

Наиболее близким по технической сущности является устройство контроля коррозионного состояния металлической арматуры железобетонных опор, известное из описания к заявке №2007128821/28(031379) от 25.07.2007, «Способ контроля коррозионного состояния металлической арматуры железобетонных опор контактной сети», заявителя ООО «Электродиагност», г.Новосибирск.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства прототипа.

Устройство содержит источник зарядного напряжения, генератор импульсного напряжения с выходным конденсатором известной электрической емкости, который соединен с рельсом и арматурой опоры, источник зарядного напряжения подключен своими выводами к генератору импульсного напряжения и процессору, параллельно генератору подключен вольтметр, выход которого связан с входом процессора, оснащенного энергонезависимой памятью и оперативной памятью, выход которого соединен с входом индикатора.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Заряжают конденсатор 4 внутренним источником постоянного тока 5 до установленного процессором 8 и измеряемого

вольтметром 3 уровня напряжения, путем подключения конденсатора к выходу источника постоянного тока 5 через клеммы S₁ переключателя 6. Затем конденсатор 4 переключателем 6 через клеммы S₂ коммутируют на рельс 2 и арматуру 7 опоры 11, что инициирует разряд конденсатора 4 на сопротивление 1 контролируемой цепи. Измеряют с частотой дискретизации не менее 100 МГц динамику снижения напряжения на конденсаторе от исходного до нулевого значения на конденсаторе 4 при его разряде на сопротивление 1 «рельс-арматура опоры», заносят в оперативную память 9 процессора 8 не менее 8000 измеренных значений напряжения. Измеренную динамику снижения напряжения на конденсаторе 4 программным обеспечением процессора 8 разлагают на составляющие ее экспоненты, вычисляют коэффициент поляризации К_П, равный отношению постоянных времени двух максимальных по амплитуде экспонент разложения. Вычисленное значение коэффициента К_П сравнивают с ранее установленными критериями, выполняют косвенную оценку состояния арматуры в подземной части железобетонной опоры, выводят на индикатор 10 результат оценки коррозионного состояния арматуры в подземной части опоры.

К недостаткам устройства, при его сравнительно высокой диагностической способности, относится необходимость выполнения обработки результатов измерений с использованием громоздкого программного обеспечении, установленного на персональном компьютере, что требует достаточно высокой подготовки операторов, выполняющих натурные измерения на опорах контактной сети.

Задачей полезной модели является расширение диагностических возможностей устройства-прототипа при оценке электрофизических показателей подземной части железобетонных опор.

Согласно заявляемой полезной модели, поставленная задача реализована в устройстве контроля электрофизических характеристик подземной части железобетонных опор контактной сети электрифицированных железных дорог, содержащем генератор импульсного напряжения с выходным конденсатором известной электрической емкости, клеммы которого через пускатель связаны с рельсом и арматурой опоры, подключенный параллельно генератору вольтметр, выход которого связан с входом процессора, благодаря тому, что в устройство введены пороговый элемент, таймер, преобразователь, управляемый коммутатор, магазин сопротивлений, при этом первый выход порогового элемента соединен с одним из входов таймера, выход которого соединен с первым входом преобразователя, второй выход порогового элемента связан со вторым входом преобразователя, третий выход порогового элемента соединен с первым входом процессора, выход которого соединен с входом индикатора, второй выход таймера, соединен с входом генератора, третий выход таймера связан с первым входом коммутатора, второй вход которого связан с выходом генератора, выход коммутатора

связан с входом магазина сопротивлений, выход которого связан с клеммами пускателя, связанного с таймером.

Дополнительную информацию о электрофизических характеристиках подземной части опоры получают:

- при размещении на выходе генератора магазина эталонных емкостей электрического заряда и второй управляемый коммутатор, который подключает к выходу генератора любую емкость из магазина емкостей;

- при размещении на выходе генератора магазина эталонных индуктивностей и третий управляемый коммутатор, который эталонную индуктивность из магазина индуктивностей подключает последовательно или параллельно любому нагрузочному эталонному сопротивлению магазина сопротивлений.

- при соединении выхода генератора через пускатель арматурой опоры и электродом сравнения, погруженным в грунт вблизи диаметрально противоположной рельсу боковой поверхностью опоры, или при соединении клемм генератора через пускатель с электродами, которые располагают на диаметрально противоположных участках боковой поверхности железобетонной опоры в надземной или в подземной части опоры.

Введение в устройство порогового элемента, таймера, преобразователя, управляемого коммутатора и магазина сопротивлений, позволяет выполнять регламентные обследования цепи заземления опор и исследовать электрофизические характеристики подземной части железобетонных опор при различных полярностях импульса испытательного напряжения. На фиг.2 представлена блок-схема заявляемого устройства.

Устройство содержит генератор импульсного напряжения 6 с выходным конденсаторам эталонной емкости С_ЭТ. Выход генератора 6 соединен с входом вольтметра 5, выход которого соединен с пороговым элементом 4. Первый выход порогового элемента 4 соединен с входом таймера 3, второй выход порогового элемента 4 связан с входом преобразователя 10, в котором величину измеренного таймером 3 времени снижения выходного напряжения генератора 6 от исходного напряжения U₁ до заданного напряжения U _K, где 0U_K<U₁, преобразуют по ранее установленной зависимости в величину сопротивления «арматура опоры - рельс». Третий выход порогового элемента 4 связан с оснащенным оперативной и энергонезависимой памятью процессором 12, выход которого связан с входом индикатора 13. Второй выход таймера 3 соединен с входом генератора 6, третий выход таймера 3 связан с первым входом коммутатора 7, второй вход которого связан с выходом генератора 6, выход коммутатора 7 связан с входом магазина сопротивлений 8, выход которого связан с входом пускателя 11. Выходные клеммы пускателя 11 соединены с арматурой 9 опоры 14 и рельсом 2, который

через сопротивление 1 «грунт - бетон опоры - электролит - металл арматуры» связан с арматурой 9 опоры 14. Пускатель 11 взаимно связан с таймером 3.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

Выходные клеммы пускателя 11 кабелем 11а соединяют с арматурой опоры 9, а кабелем 116 соединяют с рельсом 2, коммутируют выход устройства на контролируемую цепь заземления железобетонной опоры 14, которая сдержит сопротивление 1 между арматурой опоры 9 и рельсом 2. Коммутация пускателя 11 на арматуру опоры сопровождается подключением таймера 3 к управлению работой устройства. По команде таймера 3 внутренним источником питания заряжают установленный на выходе генератора 6 конденсатор известной емкости С_ЭТ до ранее выбранного уровня контролируемого вольтметром 5 напряжения, величина которого не превышает допустимого значения испытательного напряжения для цепи заземления железобетонных опор. Коммутатор 7 присоединяет последовательно выходу генератора 6 нагрузочный резистор из магазина сопротивлений 8. Конденсатор генератора 6 по команде таймера 3 разряжают на сопротивление опоры через пускатель 11 и сопротивление выбранного коммутатором 7 резистора из магазина сопротивлений 8. Вольтметром 5 измеряют динамику снижения напряжения на выходном конденсаторе генератора 6 вследствие его разряда на сопротивление исследуемой цепи. Таймером 3 измеряют длительность разряда конденсатора при снижении на нем напряжения от амплитудного напряжения U _АМП до заранее заданного из диапазона 0<U _K<U_АМП значения напряжения U _K, при достижении которого срабатывает пороговый элемент 4. По команде порогового элемента 4 таймер 3 прекращает измерение времени t, а измеренное им значение t поступает на вход преобразователя 10, где согласно ранее определенной зависимости измеренное значение времени t преобразуется в значение сопротивления «арматура опоры - рельс» плюс значение нагрузочного резистора Rн из магазина сопротивлений 8. Измеренное значение сопротивления поступает на вход процессора 12 и помещается в его энергонезависимую память. При пускателе 11 в нормально замкнутом положении по команде таймера 3 измерения повторяются при последовательном во времени подключении коммутатором 7 к выходу генератора 6 каждого нагрузочного эталонного резистора из набора резисторов магазина сопротивлений 8. В одном технологическом цикле контроля электрофизических характеристик подземной части железобетонной опоры контактной сети количество выполненных устройством измерений равно количеству эталонных резисторов в магазине сопротивлений. Все результаты измерений с выхода преобразователя 10 заносят в энергонезависимую память процессора 12.

После завершения цикла измерений при одной полярности импульса измерительного напряжения пускатель 11 по команде таймера 3 переходит в нормально разомкнутое состояние. Изменяют полярность импульса испытательного напряжения, воздействующего на контролируемую

цепь за счет изменения точек подключения измерительных кабелей, а именно: кабель 11а подключают к рельсу 2, кабель 116 подключают к арматуре 9 опоры 14. Затем выполняют второй цикл измерений согласно описанным выше операциям, результаты измерений заносят в память процессора 12. Программными средствами процессора 12 обрабатываю данные, полученные при выполнении первого и второго циклов измерений. Конечный результат обработки данных с выхода процессора 12 выводят на индикатор 13 в виде двух колонок цифр или в виде двух графических зависимостей, каждая из которых соответствует определенной полярности импульса испытательного напряжения.

Дополнительную информацию об электрофизических характеристиках подземной части опоры получают, варьируя верхним и нижним значением диапазона напряжений, в котором выполняется измерение времени t снижения напряжения от одного до второго заданных уровней выходного напряжения устройства.

Введение в устройство порогового элемента 4, таймера 3, преобразователя 10, управляемого коммутатора 7, магазина сопротивлений 8, установление новых связей между входящими в состав устройства функциональными узлами, расширяют функциональные возможности устройства, с помощью которого выполняют не только регламентные обследования цепи заземления опор, но проводят и исследование слабо изученных электрофизических характеристик подземной чисти железобетонных опор контактной сети.

Дополнительную информацию об электрофизических характеристиках подземной части опор обеспечивает установка на выходе генератора магазина конденсаторов с эталонными значениями емкостей электрического заряда и второго коммутатора, с помощью которого к выходу устройства подключают любой конденсатор из магазина конденсаторов. В этом случае предоставляется возможность контролировать электрофизические характеристики подземной части железобетонной опоры при совместном нормированном варьировании номиналами эталонных емкостей и номиналами нагрузочных резисторов, дополнительно к этому выполняя нормированное варьирование амплитудой импульса испытательного напряжения и диапазоном динамики спада импульса выходного напряжения, в пределах которого контролируют характеристику подземной части цепи заземления железобетонной опоры контактной сети.

Исследование резонансных проявлений в контролируемой цепи заземления железобетонных опор обеспечивает введение в состав устройства магазина эталонных индуктивностей и третьего коммутатора, который любую индуктивность из магазина индуктивностей подключает в формируемую цепь измерения электрофизических характеристик подземной части железобетонной опоры контактной сети.

1. Устройство контроля электрофизических характеристик подземной части железобетонных опор контактной сети, содержащее генератор импульсного напряжения с выходным конденсатором известной электрической емкости, клеммы которого через пускатель связаны с рельсом и арматурой опоры, подключенный параллельно генератору вольтметр, выход которого связан с входом процессора, отличающееся тем, что в состав устройства дополнительно введены пороговый элемент, таймер, преобразователь, управляемый коммутатор, магазин сопротивлений, при этом первый выход порогового элемента соединен с одним из входов таймера, выход которого соединен с первым входом преобразователя, второй выход порогового элемента связан со вторым входом преобразователя, третий выход порогового элемента соединен с первым входом процессора, выход которого соединен с входом индикатора, второй выход таймера соединен с входом генератора, третий выход таймера связан с первым входом коммутатора, второй вход которого связан с выходом генератора, выход коммутатора связан с входом магазина сопротивлений, выход которого связан с клеммами пускателя, связанного с таймером.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на выходе генератора размещен магазин эталонных емкостей электрического заряда и второй управляемый коммутатор, который подключает к выходу генератора любую емкость из магазина емкостей.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что последовательно выходу генератора установлен магазин эталонных индуктивностей и третий управляемый коммутатор, который любую эталонную индуктивность из магазина индуктивностей подключает последовательно или параллельно любому нагрузочному эталонному сопротивлению из магазина сопротивлений.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что генератор через пускатель соединен с арматурой опоры и электродом сравнения, погруженным в грунт вблизи диаметрально противоположной рельсу боковой поверхности опоры.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что генератор через пускатель соединен с электродами, размещенными на диаметрально противоположных участках боковой поверхности железобетонной опоры или в надземной или в подземной части опоры.