CC BY
123
Cистема удаленного мониторинга состояния железнодорожной контактной сети
К. Ю. ДОЛИНСКИЙ, ведущий инженер ООО «Мостовое бюро» А. А. ЛЫКОВ, канд. техн. наук, доцент ПГУПС В. А. СОКОЛОВ, старший преподаватель ПГУПС В. Б. СОКОЛОВ, канд. техн. наук, доцент ПГУПС Г. В. ОСАДЧИЙ, ассистент ПГУПС
Высокоскоростное движение поездов ставит жесткие требования к объектам и устройствам инфраструктуры железнодорожного транспорта. В условиях, когда с ростом скорости последствия отказов устройств могут быть особенно опасными, весьма актуальным становится вопрос предотвращения неисправностей. Такую возможность предоставляют системы заблаговременного выявления предотказ-ных состояний устройств — системы мониторинга.
Один из объектов инфраструктуры, требования к которому резко ужесточаются при высокоскоростном движении, — контактная сеть. От механической прочности, геометрических параметров и технического состояния ее элементов зависит безопасность и бесперебойность движения поездов. В состав контактной сети железных дорог [1] входят контактная подвеска и поддерживающие конструкции, вспомогательные узлы и устройства (рис. 1). Съем тягового тока электроподвижным составом осуществляется с контактного провода (КП). Провисание КП, резкие изменения высоты подвески вызывают изменения переходного сопротивления, горение дуги и могут привести к пережиганию КП или лыжи пантографа. Поэтому контактная подвеска имеет специальную конструкцию, обеспечивающую бесп-
ровесное положение КП вследствие крепления его к несущему тросу (НТ) струнами (С). Несущий трос подвески крепится через гирлянду изоляторов (ГИ) к консоли (К), закрепленной на опоре (О). С помощью фиксаторов (Ф) контактный провод фиксируется на консолях опор.
Несущий трос, который должен обладать высокой механической прочностью и антикоррозионными свойствами, представляет собой медный провод, свитый из 19 проволок. В процессе эксплуатации допускается обрыв не более двух проволок (снижение сечения не более чем на 15%).
Подвеску разбивают на отдельные анкерные участки длиной 1200-1600 м, КП и НТ которых механически не связаны между собой. В конце каждого участка КП и НТ закрепляют на анкерных опорах; НТ могут анкероваться через 7 км. При некоторой средней температуре окружающей среды КП располагается беспровесно и обеспечивает хороший токосъем. При повышении или понижении температуры меняется длина НТ и КП, их натяжение и стрелы провеса; при этом условия токосъема ухудшаются. Для сохранения нормального токосъема применяют разные способы анкеровки КП и НТ на анкерных опорах.
Для организации высокоскоростного движения применяют компенсированную цепную подвеску [2], в которой и НТ и КП имеют компенсато-:. 2). Два блока компенсатора
жестко прикрепляются к опоре, а третий может перемещаться в горизонтальном направлении при изменении длины КП или НТ, вызванном колебаниями температуры. Грузы обеспечивают необходимое натяжение КП и НТ. Увеличение натяжения проводов подвески существенно улучшает статические и динамические характеристики, повышает жесткость подвески и качество токосъема. Струны такой подвески при изменении температуры сохраняют вертикальное положение, смещаясь вправо или влево вместе с КП и НТ.
Как уже отмечалось, от состояния контактной подвески зависит безопасность и бесперебойность движения поездов. Колебания температуры воздуха и ветровая нагрузка могут приводить к провисанию КП. Обрывы НТ и КП, неисправность других элементов контактной подвески могут представлять угрозу безопасности движения. Кроме того, КП изнашивается от трения с поверхностью токоприемника. Таким образом, необходим постоянный контроль состояния контактной подвески.
Планирование работ по обслуживанию и ремонту контактной сети основано на выявлении состояния ее элементов. Измерения, выполняемые в основном вручную, и осмотры контактной сети сейчас стали экономически неэффективными. Они весьма трудоемкие (нужен неоднократный обход контролируемых участков), требуют больших затрат и дают недостаточно точные результаты. С помощью вагона-лаборатории можно точнее оценить состояние контактной сети, поскольку при проезде по линии установленная в вагоне аппаратура обеспечивает измерение высоты подвески КП, его износа, нажатия полоза токоп-
Рис. 1. Цепная контактная подвеска
ры (рис
риемника на КП, напряжения в контактной сети. Тем не менее, для обнаружения изменений состояния контактной сети на ранней стадии необходим непрерывный контроль. Современная система текущего содержания контактной сети требует использования измерительных систем, которые делают возможным автоматический контроль подвески без больших затрат времени и с минимальным привлечением персонала.
Система мониторинга дает возможность поднять техническое обслуживание контактной подвески на новый технологический уровень и перспективу перехода на новую технологию обслуживания с резким сокращением эксплуатационных расходов. Основная задача этой системы — непрерывное измерение параметров подвески, анализ полученных результатов и выдача оперативному персоналу извещений об аварийных и, что более ценно, предаварийных ситуациях.
Единственным примером системы контроля и диагностики контактной сети в настоящий момент является Sicat CMS фирмы Siemens [3], которая используется на линиях Кельн-Франкфурт в Германии и Мадрид-Сего-вия-Вальядолид в Испании (рис. 3). Изменения натяжения НТ или КП приводят к отклонению качающегося рычага, что система регистрирует с помощью магнитных датчиков. Это изме-
нение фиксируется, обрабатывается и анализируется.
Перенос данного технического решения на железные дороги России невозможен вследствие различий в конструкции подвески (возможно проскальзывание троса в блоке или, наоборот, прилипание при обледенении), особенностей климатических условий (более жестких, чем в Западной Европе), использования фирмой Siemens проводной передачи данных.
Таким образом, созрела необходимость создания системы мониторинга состояния контактной подвески для железных дорог России, способной работать при высокоскоростном движении несмотря на большие ветровые нагрузки и быстро изменяющиеся условия внешней среды. Эта задача решена коллективом ООО «Мостовое бюро» совместно со специалистами ПГУПС: разработана система удаленного мониторинга контактной сети «СДУМ-КС», успешно прошедшая испытания на Октябрьской железной дороге.
Для создания такой системы мониторинга необходима разработка диагностического обеспечения на основе:
• изучения объектов, подлежащих диагностированию и мониторингу;
• составления перечня контролируемых параметров, определения влияния их изменения на функционирование контролируемой системы;
Рис. 3. Элементы анкерной опоры на линии Кельн-Франкфурт
• выявления признаков нарушения нормальной работы устройств;
• составления алгоритмов диагностирования, разработке диагностических моделей в табличных, аналитических или иных формах;
• выбора из известных или разработки новых алгоритмов, средств диагностирования и оценки их характеристик.
Нетрудно заметить (рис. 2), что большинство неисправностей подвески приводит к изменению положения грузов на анкерных опорах. Например, при обрыве НТ или КП груз перемещается вниз с ускорением. Провисание НТ или КП за пределы допустимых норм в результате неправильной регулировки, попадания посторонних предметов на трос, обрыва жил, примерзания груза — предотказ-ные состояния подвески — также можно выявить по перемещению груза, поскольку изменение натяжения НТ вызывает подъем или опускание груза.
Для фиксации линейных перемещений НТ на грузокомпенсатор в месте крепления груза устанавливается мобильный регистратор (МР). В его корпусе (рис. 4) установлены датчики вибрации, температуры, ускорений, магнитометр. Кроме того, МР снабжен микроконтроллером и блоком приема-передачи измерительной информации в системе передачи данных (СПД) стандарта IEEE 802.15.4. Питание устройства автономное.
Вследствие небольших габаритных размеров (2,3x8,1x9,1 см) и малой массы (680 г) МР не влияет на регулировку КС, не вносит искажения в измерения. Он рассчитан на работу в диапазоне температур от -50 до +70 °С. Время работы элементов питания — один год.
Необходимо отметить, что груз перемещается также при изменении температуры окружающей среды, причем
Рис. 2. Анкерная опора компенсированной контактной подвески
Рис. 4. Мобильный регистратор на анкерной опоре
это перемещение нормируется и задается специальными номограммами (рис. 2). Кроме того, на положение груза могут влиять ветровые нагрузки. Отсюда и следует необходимость установки датчиков температуры, силы и направления ветра и включение в систему анализирующего модуля, исключающего влияние на результат измерений кратковременных воздействий на НТ и КП, например прохода поезда или порывов ветра.
Полученная от датчиков информация не имеет ценности, пока она не будет определенным образом обработана, проанализирована и пока сделанные по результатам этого анализа выводы не позволят предотвратить отказ контактной сети и его последствия. Отсюда вытекает необходимость трехуровневой структуры системы мониторинга (рис. 5).
Нижний уровень образуют описанные датчики. Сигналы датчиков обрабатываются аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), полученные значения передаются по каналу связи в концентраторы, назначение которых — сбор информации от датчиков, краткосрочное хранение данных и обмен с верхним уровнем системы. Концентраторы могут находиться на железнодорожных станциях, где есть возможность разместить аппаратуру и источники электропитания.
Центральный пост диагностирования и мониторинга обеспечивает сбор, длительное хранение и централизованную обработку поступающей информации, а также автоматический мониторинг функционирования контакт-
Станция А
Концентратор информации
Оптоволоконный канал связи
Радиоканал
ной сети в режиме реального времени. Здесь устанавливается автоматизированное рабочее место (АРМ), предназначенное для отображения получаемой информации, выявления отказов и пре-дотказных состояний в контактной подвеске, протоколирования происходящих событий, хранения нормативной и справочной информации. На основе полученных данных и прогноза изменения технического состояния контактной сети оперативный персонал обеспечивает планирование технического обслуживания и ремонта контактной сети, организацию поиска и устранения неисправностей.
Для комплексного анализа функционирования технических средств системы энергоснабжения на дороге, правильного и своевременного принятия решений должен быть создан верхний иерархический уровень системы диагностики — дорожный центр мониторинга системы энергоснабжения. На этом уровне информация предоставляется диспетчерскому персоналу; здесь также устанавливается АРМ. С помощью математической модели результаты измерений интерпретируются в события. Таким образом, конечный пользователь работает с событийно-информационной моделью, которая распознает в автоматическом режиме и выдает на экран сообщения о следующих событиях:
Центр мониторинга и диагностирования
Верхний уровень системы
Станция Б
Средний уровень системы
п
Нижний уровень системы
Датчики и аппаратура передачи информации
Анкерный участок -1200-1600 м
Диагностируемый участок -10000-15000 м
Диагностируемый участок -10000-15000 м
Рис. 5. Структурная схема системы мониторинга состояния контактной сети
• прохождение поезда;
• прохождение высокоскоростного поезда типа «Сапсан»;
• прокачка грузов;
• обрыв жилы несущего троса;
• полный обрыв несущего троса;
• падение предметов (деревьев) на несущий трос и (или) контактный провод;
• возникновение резонансных колебаний;
• оценка влияния климатических воздействий.
Пользовательский интерфейс предусматривает отображение данных в режиме реального времени с привязкой к анкерному участку, номеру опоры, с указанием основных технических характеристик системы и ее элементов (элементы самодиагностики).
Функционирование системы мониторинга невозможно без линий связи между отдельными иерархическими уровнями и источников электропитания диагностирующих устройств и элементов системы связи. С учетом особенностей железнодорожного транспорта России можно утверждать, что между верхним и средним уровня-
ми системы мониторинга связь легко наладить, используя существующие оптоволоконные линии. Имеющиеся на уровне железнодорожной станции и дистанции энергоснабжения источники электропитания способны удовлетворить потребности создаваемой системы мониторинга.
Хуже дело обстоит на нижнем уровне системы мониторинга. Между опорами контактной сети и станцией нет линии связи. Нет там и выводов системы электропитания. Прокладка новых линий связи и съем электроэнергии на опорах контактной сети может привести к резкому удорожанию строительства системы. Если затраты на строительство соизмеримы с ожидаемым эффектом от внедрения системы мониторинга, то возникает вопрос о целесообразности создания и применения такой системы.
Решением может быть автономное питание аппаратной части нижнего уровня и связь на нижнем иерархическом уровне с использованием радиоканала. Именно поэтому МР снабжен источником автономного питания, поддерживающим МР в рабочем сос-
тоянии в течение года, и блоком прие-мо-передачи, позволяющим передавать данные по радиоканалу.
Опытная эксплуатация «СДУМ-КС» показала, что непрерывный автоматизированный контроль состояния контактной сети позволяет выявить граничные значения контролируемых параметров, а значит, принять меры по устранению предпосылок к возникновению отказа. Поскольку при этом отказ еще не произошел, а значит, нет его последствий, не возник простой поездов, эксплуатационные расходы сокращаются.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бондарев Н. А., Чекулаев В. Е. Контактная сеть: Учебник для студентов техникумов и колледжей железнодорожного транспорта. — М.: Маршрут, 2006. — 590 с.
2. Альбом КС-200-07: Схемные решения узлов контактной сети постоянного тока на участке Мстинский Мост — Бологое для скоростей движения до 250 км/ч. — СПб: Универсал-контактные сети, 2007. — 149 с.
3. Bechmann J., Dolling A., Hahn G. et al. Uberwachungseinrichtung fur Oberleitungskettenwerke // Elektrische Bahnen. 2008. Bd 106.
