Современные средства комплексной диагностики контактной сети со статистическим анализом причин ее повреждений

В транспортной системе РФ ведущим видом является железнодорожный транспорт, исходя из требованийэкономической эффективности, экологической безопасности и объемов   массовых грузов, доставляемых на средние и дальние расстояния, железнодорожным перевозкам не будет альтернативы.

Контактная сеть - это  достаточно сложное техническое сооружение электрифицируемых железных дорог и в отличии от других устройств электрифицированной железной дороги, контактная сеть практически не имеет резерва, поэтому необходимо стремиться к ее более высокой надежности в условиях эксплуатации.

Эксплуатация контактной сети должна  осуществляться своевременным проведением работ по техническому обслуживанию, текущему и капитальному ремонтам с периодичностью, установленной нормативной документацией.

Периодичность проведения работ устанавливается с учетом категорийности электрифицированных линий и  зависит от:

1. скорости и интенсивности движения поездов;
2. величины удельного годового электропотребления (включая электроэнергию рекуперации) на 1 км эксплуатационной длины в однопутном исчислении.

В то же время контактная сеть должна обеспечивать бесперебойный токосъем при наибольших скоростях движения и при любых атмосферных условиях. Так как она является наиболее уязвимым объектом в системе тягового электроснабжения, именно ее ненадежная работа в большинстве случаев является причиной браков (задержек поездов по времени более установленного). При  исследовании свойства надёжности основным вопросом является понятие «отказа».        

Под отказом понимается непредусмотренное прекращение или утрата объектом способности выполнять в необходимом объёме (размере) свои функции свыше допустимого времени.

К основным причинам отказов устройств контактной сети относятся:

1) недостатки эксплуатации, монтажа;

2) старение устройств;

3)  влияние метеоусловий;

4) посторонние предметы.

Задача обслуживающего персонала заключается в  содержании устройств контактной сети в технически исправном состоянии, так как приведенные показатели причин отказов,  указывают на несовершенство конструкций и деталей контактной сети, их монтажа и эксплуатации.

Большой процент отказов по причине старения устройств говорит о неблагополучном положении дел с диагностикой их состояния. 

Диагностические  испытания и измерения (ТО-2) устройств контактной сети проводят с целью выявления неисправностей или отклонений от нормативных требований и регламентированных параметров, с целью установления необходимости их ремонта или замены. Работы по диагностированию, испытаниям и измерениям проводят, как правило, специально обученный персонал с использованием вагонов-лабораторий, приборов, штанг и других средств технического диагностирования.

По итогам анализа повреждений на контактной сети Западно-Сибирской железной дороги в период с 2013 по 2014 года было  допущено 107 нарушений безопасности движения поездов (отказы 1 и 2 категории) против 115 нарушений допущенных за аналогичный период, (снижение на 7 %), из них 9 нарушений классифицированы событиями, связанными с задержкой поезда на 1 час и более против 9 случаев в 2013г. из всех повреждений на долю контактной сети пришлось 65 случаев против 63 (рост составил 3,7%) .

Доля хозяйства электрификации и электроснабжения в отказах технических средств 1 и 2 категории, вызвавших нарушения в движении поездов, допущенных в целом по дирекции инфраструктуры составляет 11 %.

Основным показателем работы хозяйства является удельная повреждаемость (количество нарушений на общую техническую оснащенность хозяйства).        Коэффициент общей удельной повреждаемости устройств электроснабжения за 2014 год по хозяйству электрификации и электроснабжения снижен на 1,1 % с1,106 в 2013 году до 1,094.

Анализ случаев задержек поездов показал, что основное их количество пришлось на отказы технических средств, допущенных в апреле, июле и сентябре 2014 г., основными причинами которых послужили:

а) особые метеоусловия (шквалистый ветер до 29 м/с) - 11 случаев;

б) недостатки эксплуатации -13 случаев, из которых 4 связаны с неудовлетворительным качеством проведенных работ;

в) неудовлетворительное качество осмотров - 4 случая;

г) нарушение технологии проведенных работ - 3 случая;

д) нарушение сроков обслуживания – 2 случая.

В качестве корректирующих мер по повышению устройств электроснабжения в 2015 г., основной акцент сделан на техническую учебу в структурных подразделениях дистанций электроснабжения и формирование у руководителей процессного подхода в эксплуатационной деятельности.

Наибольшее количество отказов на контактной сети допущено из-за разрушения и пробоя изоляторов  контактной сети – 10 отказов или 15 %, разрушения зажимов и деталей контактной сети – 7 отказов или 11 %, разрегулировки и нарушения габарита фиксаторов и поддерживающих конструкций – 6 отказов или 9 %, неудовлетворительного содержания заземления опор  контактной сети – 5 отказов или 8%,пробоя и перекрытия искровых промежутков – 4 отказа или 6%.

По три отказа допущено из-за обрывов и пережогов контактного провода (5%), несущего троса (5%), усиливающего провода (5%), звеньевых струн (5%) и компенсирующих устройств (5%). Также три отказа допущено из-за разрегулировки воздушных стрелок (5%) и компенсирующих устройств (5%). По два отказа допущено из-за ложной работы устройств ЗОИР (3%), разрегулировки разъединителей (3%), секционных изоляторов (3%), сопряжений анкерных участков (3%), обрывов и нарушения габаритов электрических соединителей (3%). По одному отказу допущено на следующих устройствах контактной сети: волновод (2%), фиксирующий провод(2%), переключатель пункта группировки (2%), прочие устройства (2%).

По  сравнению с 2013 годом возросло количество отказов из-за обрывов и пережогов несущего троса - с 2 до 3 отказов, разрегулировки воздушных стрелок - с 2 до 3 отказов, неудовлетворительного  содержания заземлений опор контактной сети - с 2 до 5 отказов, пробоя и перекрытия искровых промежутков - с 2 до 4 отказов, разрегулировки компенсирующих устройств - с 1 до 3 отказов, обрывов и пережогов усиливающих проводов - с 1 до 3 отказов.  Так же уменьшено количество отказов из-за разрушения и пробоя изоляторов контактной сети - с 17 до 10 отказов, разрушение зажимов деталей контактной сети  - с 11 до 7 отказов, разлегулировки фиксаторов и поддерживающих конструкций с 8 до 6 отказов, обрывов и пережогов струн - с 5 до 3 отказов, обрывов и пережогов контактных проводов - с 4 до 3 отказов.

Основными причинами повреждений являются:

1. неудовлетворительное качество обслуживания и ремонта устройств электроснабжения – 12 отказов или 18%;
2. заводской брак – 10 отказов или 15%;
3. нарушение технологии работ – 9 отказов или 14%;
4. старение устройств – 7 отказов или 11%;
5. дефекты монтажа – 5 отказов или 8%;
6. нарушение сроков обслуживания и ремонта устройств электроснабжения – 5 отказов или 8%;
7. влияние метеоусловий – 4 отказа или 6%;
8. влияние посторонних предметов – 2 отказа или 3%;
9. ошибки эксплуатационного персонала – 1 отказ или 2%;
10. категория прочее – 1 отказ или 2%.

Эффективность функционирования технической системы зависит от показателей качества, одним из которых является надежность. Она тесно связана с экономическими показателями: чем выше надежность, тем меньше ущерб от отказов технических устройств.

Одним из современных  средств комплексной диагностики, используемом на Западно – Сибирской железной дороге, является вагон - лаборатория испытаний контактной сети нового поколения ВИКС-ЦЭ. По сравнению с диагностическими средствами прошлых лет, ВИКС-ЦЭ позволяет провести:

1. полную автоматизацию измерений и контроля параметров контактной сети, за счет компьютеризации всех диагностик с оформлением сводной документации по результатам инспекций;
2. преимущественно бесконтактные методы измерений параметров подвески контактной сети, не требующие использования измерительного токоприемника;
3. широкое использование волоконно-оптических линий передачи информации и датчиков, исключающих необходимость применения в ВИКС-ЦЭ высоковольтной камеры даже при использовании измерительного токоприемника;
4. автоматическую привязку к месту измерений с помощью аппаратных и программных средств.

Мощная  энергетика и значительные ресурсы вычислительного комплекса, обеспечивающие возможность дальнейшего развития диагностических возможностей вагона позволяют:

1. проконтролировать геометрические параметры контактной подвески;
2. проконтролировать взаимодействие контактной подвески с токоприемником;
3. обнаружить места повышенного износа контактного провода;
4. обнаружить места перегрева элементов контактной сети и дефектных изоляторов.

На крыше вагона установлена быстродействующая лазерная система диагностики контактного провода типа «ИЗНОС», рисунок 1. Система предназначена для бесконтактного измерения профиля изношенной части провода с одновременным вычислением остаточной высоты или площади изношенной части сечения, для измерения положения  контактного провода относительно оси токоприемника с выявлением боковых наклонов зажимов, а так же для выявления его переворотов.

Рисунок 1 – Лазерная  система диагностики контактного провода типа «ИЗНОС»

Бесконтактные измерения с погрешностью не более ±10 мм из-под крыши вагона высоты подвески и положения в плане от одного до четырех контактных проводов, включая отходящие, при движении со скоростью, ограничиваемой только допустимой скоростью вагона-носителя, возможно с помощью стереотелевизионной системы (СТВС). Средством измерения является стереотелевизионная система (СТВС), использующая три цифровые линейные телекамеры с электронными диафрагмами и встроенными сигнальными микропроцессорами.

Измерения параметров возможныпри любой погоде, кроме условий, исключающих визуальную видимость объектов наблюдения из наблюдательной вышки оператора. Электромеханический (на базе вращающегося трансформатора) датчик высоты контактного провода используется под искусственными сооружениями, а также  как резервный.

Все диагностические функции выполняются при максимальной скорости движения базового вагона типа 47/Ки – 140 км/ч. Принципиально аппаратура и программное обеспечение рассчитаны на функционирование при скорости до 200 км/ч.

Аппаратура и программное обеспечение ВИКС-ЦЭ обеспечивают:

1. хранение в памяти компьютера данных нормативных журналов;
2. автоматическую фиксацию нарушений состояния контактной сети и подсчет балльной оценки в соответствии с ПУТЭКС и с учетом данных нормативных журналов;
3. возможность составления в памяти компьютера маршрута инспекционного объезда, в ходе которого производится автоматическая нумерация опор, привязка к пути, закрытие и открытие файлов данных оператору предоставляется информация о названии перегона или станции, текущем номере опоры, осуществляется распечатка замеченных отклонений;
4. дополнение видеозаписи с телекамеры в смотровой вышке титрами с информацией о названии перегона, текущем номере опоры, высоте, зигзаге и выносе контактного провода, скорости движения, температуры окружающего воздуха;
5. синхронный просмотр видеозаписи и данных, записанных в компьютер.

Анализируя преимущества ВИКС-ЦЭ, можно выделить основные моменты:

1. улучшение условий для размещения и жизнеобеспечения персонала за счет сокращения площадей и объемов, занимаемых аппаратурой (достигнуто изменением системотехнического решения информационно-вычислительного комплекса (ИВК) вагона);
2. усиление энергообеспечения для питания бытовых электроприборов;
3. применение системы отопления на жидком топливе;
4. применение малошумной дизель-генераторной установки;
5. улучшение дизайна служебных и бытовых помещений.

Опоры являются ответственным элементом контактной сети, от состояния которых во многом зависит безопасность и бесперебойность движения поездов. Выход из строя даже одной опоры может привести к длительной задержке движения поездов или  серьезной аварии.

Диагностика опор контактной сети проводится для определения фактической несущей способности конструкций, выявления опор с недостаточной прочностью и предупреждения их падения

Снижение несущей способности опор объясняется преимущественно двумя причинами:

1. старением бетона в надземной части,
2. электрокоррозией арматуры в подземной части конструкций.

Старение развивается во всех опорах независимо от рода тягового тока в результате природно-климатических и эксплуатационных воздействий. Оно сопровождается снижением его прочностных характеристик.

Наиболее интенсивно этот процесс протекает в опорах с низким качеством изготовления стоек в суровых климатических условиях, агрессивная среда так же ускоряет старение бетона. При хорошем качестве изготовления стоек опор и в умеренных климатических условиях процесс развивается достаточно медленно.

Большинство опор на сети дорог, находящихся в эксплуатации, составляют железобетонные, предварительно напряженные опоры.

Наиболее  опасными повреждения связаны с воздействием токов утечки на участках постоянного тока, а также с физическим старением бетона и потерей им прочности на сжатие.

Подсистема визуального контроля состояния опор (СО) контактной сети позволяет выявить дефекты на ранних стадиях развития.

В вагонев аппаратного зала ВИКС - ЦЭустановлены боковые окна, выполняющие функции смотровых фонарей, откуда можно визуально контролировать состояние опор и следить за отклонениями.

Датчик фиксации опор контактного провода сети электрифицированных железных дорог (далее «датчик») предназначен для выдачи в ИВК электрического сигнала (импульса) в момент прохождения ВИКС-ЦЭ под местом крепления контактного провода к элементам подвески. Так  как крепление контактного провода производится против опор контактной сети, то датчик фиксирует момент прохождения ВИКС-ЦЭ мимо опоры контактной сети. В ИВК отмечаются порядковые номера опор и их количество одновременно с другими измеряемыми параметрами сети.            Тем самым, производится привязка результатов измерений к местоположению вагона относительно опор контактной сети на контролируемом участке железной дороги.

            Рабочие условия эксплуатации:

1. температура окружающей среды от 0^оС до 40^оС;
2. относительная влажность воздуха до 95^опри температуре 30^оС;
3. атмосферное давление 460-800 мм.рт.ст;
4. напряжение питания — +12В±10% (0,6А).

            Технические характеристики датчика фиксации опор:

1. диапазон расстояний от датчика до фиксируемых элементов крепления контактного провода, в пределах которого производится выдача сигналов отсчета (при толщине объекта не менее 10мм) от 2 до 5 м;
2. наибольший угол отклонения элементов крепления провода (основного и дополнительного стержней фиксаторов, фиксирующего троса) от перпендикуляра к условной продольной оси вагона, при котором датчик выдает сигнал ±10 град;
3. датчик выдает сигналы отсчета при любых освещенностях фона, т.е. в светлое и темное время суток (в темное — при искусственном освещении, которое включается по команде, выдаваемой датчиком при достижении определенного уровня освещенности);
4. максимальная скорость ВИКС-ЦЭ, при которой уверенно производится отсчет, — не более 200 км/ч;
5. температурный диапазон работы датчика от 0^оС до 40^оС;
6. питание датчика производится от источников постоянного тока +12В±10% (0,6А);
7. габаритные размеры не более 400х64х64 мм;
8. масса не более 1,5 кг.

Датчик является устройством, предназначенным для определения момента прохождения ВИКС-ЦЭ мимо опоры контактной сети электрифицированных железных дорог и выдачи сигнала в ИВК.

Принцип работы датчика основан на проецировании с помощью оптической системы изображения элементов крепления провода на блок фотодиодов, формирующих электрические сигналы в момент их закрытия изображением элементов крепления.

Изображение любого элемента крепления контактного провода (в данном случае — фиксатора) с помощью объектива проецируется на блок фотодиодов, расположенных по определенной схеме в плоскости изображения объектива. При закрытии изображением фиксатора (при движении вагона) определенной группы фотодиодов на выходах их усилителями формируются электрические сигналы, определяющие момент прохождения датчика под местом крепления провода, а, следовательно, и момент прохождения вагона мимо опоры. Выходные сигналы с усилителей фотодиодов преобразуются и передаются во внешнее регистрирующее устройство.

Датчик работает как при искусственном освещении, так и при естественном. Днем изображением является тень фиксируемого объекта. В ночное время включается прожектор искусственного освещения так, что в объектив датчика попадает освещенная часть крепления, таким образом, в плоскости изображения фотодиоды будут не затемняться, как при дневном освещении, а наоборот, освещаться, т.е. сигналы с усилителей фотодиодов будут иметь другую полярность.

Так как каждый объектив имеет зону резкости, объекты, расположенные вне этой зоны будут«размываться» и не фиксироваться датчиком.

Для объектива, примененного в этом датчике, зона нерезкого изображения, в которой не вырабатываются сигналы фиксации, лежит выше 5 м, т.е. такие объекты, как, например, провода электропередач, проходящие выше и поперек контактного провода, не фиксируются.

Устанавливаются датчики в вагоне тубусами объективов вертикально на специальных кронштейнах перед защитными стеклами на расстоянии 70-80см от продольной оси вагона.

По результатам комплексной диагностики оценивается состояние парка опор. Анализ включает общие данные числа опор на дистанции (дороге), в том числе железобетонных и металлических, подробную характеристику парка железобетонных опор по типам и срокам службы с целью повышения безопасности и бесперебойности движения поездов.

Библиографический список:

1. Анализ работы хозяйства электрификации и элетроснабжения Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры в 2014 году. Хозяйство электрификации и электроснабжения. Новосибирск 2015
2. Асимметричный токоприемник для электроподвижного состава (патент РФ № 2428327)/ Бадикова Л. В. Российские ассиметричные токоприемники серии ТАсС / Л.
3. Бадикова Л. В. Российские асимметричные токоприемники серии ТАсС / Л. В.
4. ГОСТ Р 54334-2011 Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. М.: Госстандарт. 2011. 25 с.
5. Зимаков А.Н., Гиенко В.М. Контактная сеть электрифицированных железных дорог. Расчеты, выбор конструкций и составление монтажных планов. [Текст]: Учебное пособие для колледжей и техникумов железнодорожного транспорта/ А.Н. Зимаков, В.М. Гиенко – М.: ГОУ «УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте», 2010. – 233 с. ISBN 978-5-9994-0043-7
6. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года. Распоряжение  ОАО «РЖД» от «15» декабря 2011  г. № 2718р, с. 87