Диагностика электромеханических систем транспортного комплекса. Контактная сеть

 

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
М.В. КАЛУГИН, В.В. БИРЮКОВ 
 
 
 
 
ДИАГНОСТИКА 
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ  
СИСТЕМ  
ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА 

КОНТАКТНАЯ СЕТЬ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

 

УДК 621.331.004.6(075.8) 
К 176 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Д.Л. Калужский  
д-р техн. наук, профессор Е.Г. Порсев 
 
 
 
Калугин М.В.  
К 176       Диагностика электромеханических систем транспортного 
комплекса. Контактная сеть: учебное пособие / М.В. Калугин, 
В.В. Бирюков; под общ. ред. В.В. Бирюкова. – 2-е изд. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 132 с.   

ISBN 978-5-7782-3659-2 

Излагаются общие вопросы теории диагностики технических систем применительно к рельсовому и безрельсовому электрическому 
транспорту. Рассматриваются 
различные 
варианты 
исполнения 
средств диагностики подвижного состава и системы электроснабжения, оцениваются их достоинства и недостатки. Основные теоретические положения учебного пособия иллюстрируются примерами схемных решений и графическими характеристиками. 
Предназначено для студентов бакалавриата по направлению 
«Электротехника и электроэнергетика», а также для инженернотехнических работников, занимающихся проектированием средств 
диагностики и исследованием технического состояния электрического 
транспорта.  
 
 
 
 
 
 
УДК 621.331.004.6(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3659-2 
 
             © Калугин М.В., Бирюков В.В., 2015, 2018 
© Новосибирский государственный             
технический университет, 2015, 2018       

 

 

 
 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ............................................................................................................ 4 
Глава 1. Диагностика тягового двигателя ........................................................ 5 

1.1. Контроль изоляции .................................................................................. 5 

1.1.1. Контроль величины сопротивления изоляции............................. 6 
1.1.2. Определение влажности изоляции ............................................... 8 
1.1.3. Испытание изоляции повышенным напряжением ...................... 9 

1.2. Контроль искрения ................................................................................ 10 
1.3. Определение межвитковых замыканий в обмотке якоря .................. 14 
1.4. Выявление межвитковых замыканий  в полюсных катушках ........... 22 
1.5. Нахождение места пробоя изоляции полюсных катушек  

на корпус ................................................................................................ 25 

1.6. Контроль паяных соединений .............................................................. 27 
1.7. Измерение активного сопротивления обмоток ................................... 29 
1.8. Контроль состояния якорных подшипников ...................................... 29 

Глава 2. Диагностика  механического оборудования транспортного 

средства ................................................................................................. 34 

Глава 3. Диагностика системы  электроснабжения ...................................... 55 

3.1. Система электроснабжения  как объект диагностирования .............. 55 
3.2. Диагностика контактной сети .............................................................. 69 

Глава 4. Надёжность  электромеханических  систем .................................. 103 

4.1. Основные термины и определения понятий  в теории надёж
ности ..................................................................................................... 103 

4.2. Показатели надёжности ...................................................................... 107 

Библиографический список ............................................................................... 131 

 
 

 

 
 
 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
Диагностика технического состояния объектов представляет собой 

совокупность методов и средств, направленных на поддержание объектов в работоспособном состоянии с необходимой степенью надёжности и безопасности в эксплуатации. Применительно к такому сложному комплексу, как транспорт, требование поддержания всех его элементов в исправном состоянии определяется, прежде всего, повышенной степенью опасности при эксплуатации подвижного состава, проявляющейся в возникновении дорожно-транспортных происшествий, 
возможности поражения электрическим током и т. д. 

Поскольку практически все элементы транспортного комплекса на 

электрической тяге включают в себя как электрическую, так и механическую часть, при разработке методов и средств их диагностирования 
разработчики в равной степени уделяли внимание созданию приборов 
и устройств контроля параметров механического и электрического 
оборудования подвижного состава и системы электроснабжения. 

Значительный вклад в разработку средств диагностики внёс кол
лектив кафедры электротехнических комплексов (ранее «Электрический транспорт») НГТУ (НЭТИ) под руководством кандидата техн. 
наук С.М. Кузнецова, внедрённых на предприятиях городского электрического транспорта Новосибирска. 

Материал учебного пособия является продолжением одноимённого 

пособия, выпущенного авторами в 2014 году, и может быть использован студентами при изучении дисциплины «Диагностика и надёжность 
электромеханических систем», изучаемой в курсе бакалавриата.  

   

Глава 1. ДИАГНОСТИКА ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ 

 
Тяговый электродвигатель постоянного тока как объект диагности
рования представляет собой конструкцию, включающую в себя токоведущие элементы, формирующие магнитные поля якоря и статора 
машины, коллекторно-щёточный аппарат и механическую часть. Отказы тяговых двигателей имеют различную природу и могут происходить вследствие: 

 пробоя изоляции и межвитковых замыканий обмоток якоря; 
 пробоя изоляции и межвитковых замыканий обмоток главных и 

дополнительных полюсов; 

 пробоя изоляции компенсационной обмотки; 
 повреждений выводов катушек полюсов; 
 повреждений выводных кабелей, выплавления припоя из петуш
ков коллектора; 

 разрушения якорных бандажей; 
 повреждения якорных подшипников; 
 повреждения пальцев, кронштейнов и щёткодержателей; 
 кругового огня по коллектору. 
Для предупреждения отказов двигателей в процессе эксплуатации 

и при ремонте необходимо регулярно контролировать такие показатели его состояния, как величина электрического сопротивления, степень 
искрения на коллекторе, наличие межвитковых замыканий и т. д.  

1.1. Контроль изоляции 

Для выявления дефектов в изоляции обмоток статора и якоря необ
ходим периодический контроль тяговых двигателей в процессе их эксплуатации. Развитие дефектов в изоляции в основном связано с проникновением в нее влаги. 

Применяются следующие методы неразрушающих испытаний изо
ляции: 

а) измерение тангенса диэлектрических потерь  tg ; 
б) измерение частичных разрядов в изоляции; 
в) измерение емкости; 
г) измерение сопротивления изоляции и др. 
Угол диэлектрических потерь  в первую очередь показывает 

наличие в изоляции посторонних включений, в частности её увлажнение. Характер изменения  tg   при периодических измерениях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции. Измеряют  tg  изоляции 
с помощью приборов, в основе которых лежит принцип высоковольтного моста Шеринга. Недостатком этого метода является низкая помехозащищенность и сложность автоматизации процесса измерения. 

Измерение частичных разрядов – основная причина электрического 

старения внутренней изоляции – даёт более объективную информацию 
о состоянии изоляции, но такие измерения технически сложны и также 
имеют низкую помехозащищенность. Величина электрической ёмкости изоляции машины при неизменной температуре и частоте постоянна. Поэтому изменение ёмкости свидетельствует о дефектах в изоляции, в том числе и об её увлажнении. На принципе измерения абсорбционной ёмкости основаны методы контроля влажности изоляции: 
«ёмкость–частота», «ёмкость–температура» и «ёмкость–время». 

В условиях депо и на ремонтных заводах наибольшее распростра
нение получил метод измерения сопротивления изоляции, а из методов 
разрушающего контроля – испытание изоляции повышенным напряжением промышленной частоты. 

1.1.1. Контроль величины сопротивления изоляции 

Приложение к изоляции постоянного напряжения  U  приводит к 

возникновению в ней процесса поляризации. Различают следующие 
виды поляризации: электронную, ионную, дипольную и межслойную. 
Однако их удобнее классифицировать не по физике процесса, а по 
временному параметру (постоянной времени Т), характеризующему 
переход из одного состояния в другое: быстрая (порядка миллисекунд) 
и медленная (порядка секунд и выше) поляризация. 

Для изучения процессов, протекающих при поляризации, можно 

воспользоваться схемой замещения, показанной на рис. 1.1. Если в 
этой схеме скачком приложить постоянное напряжение  U,  то ток из 

источника можно представить в виде суммы следующих составляющих: 

 импульса тока заряда емкости C ; 

 абсорбционного тока абс

t
T
U
i
e
r




, изменяющегося с постоянной 

времени  Т; 

 тока сквозной проводимости пр

U
i
R

. 

 

 

Рис. 1.1. Схема замещения для изоляции 

Поскольку поляризационные явления в изоляции и образование в 

ней сквозных каналов повышенной проводимости, обусловленные в 
основном увлажнением изоляции, протекают гораздо медленнее, чем 
заряд ёмкости  Сх,  при оценке технического состояния объекта учитывается только величина электрического сопротивления от последних 
двух факторов. 

Опытом установлено, что в большей части случаев  Т – менее 

1 мин. Это означает, что через промежуток времени около 1 мин после приложения напряжения  U  сопротивление изоляции достигнет 
установившегося значения  R.  Величина  R  определяет наличие 
сквозных проводящих путей в изоляции. Резкое падение  R  свидетельствует о далеко зашедшем развитии дефекта. Обычно заключение о состоянии изоляции составляется на основе сравнения результатов измерения с заводскими данными или результатами предыдущих значений  R. 

Сопротивление изоляции измеряют мегомметрами, состоящими из 

маломощного генератора постоянного тока напряжением 0,5…2,5 кВ 
(с ручным приводом) и стрелочного прибора. 

1.1.2. Определение влажности изоляции 

Прежде всего необходимо выявить причины снижения сопротив
ления изоляции, так как от этого зависит правильный выбор пути по её 
восстановлению: вместо относительно недорогого способа восстановления изоляции путем сушки ошибочно будет принято решение о замене тягового двигателя. 

О влажности изоляции тяговых двигателей судят по величине ко
эффициента абсорбции: 

60

абс

15

R
K
R

, 

где R15 и R60 – сопротивления изоляции, измеренные через 15 и 60 с 
соответственно. 

При хорошей и сухой изоляции коэффициент абсорбции составляет 

1,5…2, а при увлажненной приближается к единице. Наименьшим значением коэффициента абсорбции изоляции тяговых двигателей следует 
считать 1,1…1,2 (при температуре окружающего воздуха 20 ± 10 °С). 

Промышленностью выпускаются специальные приборы, позволя
ющие с достаточной степенью точности определять сопротивление 
изоляции и коэффициент абсорбции. Одним из таких приборов является мегомметр Ф4100. Он имеет выходное напряжение на разомкнутых 
зажимах (2500 ± 250  В). Коэффициент абсорбции определяют при помощи реле с выдержкой времени 15 и 60 с и сигнальной лампы, указывающей моменты отсчета. Погрешность прибора не более  ±2,5 %. 

Степень объемного увлажнения изоляции можно также оценить с 

помощью прибора для контроля влажности (ПКВ). Действие прибора 
основано на методе «емкость–частота». В слоистом диэлектрике, кроме явлений поляризации, происходит медленное накопление зарядов 
на границах слоев – внутрислойная поляризация, что увеличивает диэлектрическую проницаемость диэлектрика. Процессы внутрислойной 
поляризации заметны при нагревании изоляции и особенно при её 
увлажнении. С изменением частоты приложенного испытательного 
напряжения изменяется ёмкость изоляции, что свидетельствует о 
внутрислойной поляризации. Сравнение емкостей изоляции на двух 

частотах испытательного напряжения, одна из которых будет равна 
нескольким герцам, другая – нескольким десяткам герц, дает возможность судить о степени объёмного увлажнения изоляции. Прибором 
ПКВ измеряют соотношение ёмкости  С  изоляции при частоте 2 и 
50 Гц  (С2 и С50). Если соотношение емкостей  С2/С50  при указанных 
частотах напряжения более 1,4, то изоляция увлажнена и требует сушки. Измерять емкость обмотки следует при температуре от 15 до 35 °С. 
Надо отметить, что не во всех случаях, когда  С2/С50  превышает 1,4, 
изоляция считается дефектной. 

Еще более простым является способ измерения абсорбционной ём
кости, получивший название «ёмкость–время». При его использовании 
измеряются мгновенные значения ёмкостей изоляции через время 
1 мс и 0,5…1 с после приложения зарядного напряжения или, наоборот, после разряда. В первом измерении определяется геометрическая 
емкость изоляции  С,  во втором – емкость С0. Величина соотношения 

0
C
C
C

C
C









 

служит характеристикой изоляции. 

Установлено, что для нормальной изоляции отношение 
/
C C

 не 

превышает 0,1, а для увлажненной изоляции отношение 
/
0,1
C C


. 

Метод «емкость–температура» основывается на измерении емкости 

при увеличении температуры. 

Увлажнение особенно опасно для той изоляции, которая имеет хо
тя бы частичные внутренние повреждения. 

1.1.3. Испытание изоляции повышенным напряжением 

Этот метод испытаний относится к методам разрушающего кон
троля. Испытания повышенным напряжением производятся для проверки наличия необходимого запаса электрической прочности изоляции. 
Так как понижение электрической прочности вызывается, как правило, 
местными дефектами в изоляции, то указанный способ испытаний служит и для обнаружения в ней местных дефектов. Он гарантирует также, 
что изоляция оборудования имеет нужный уровень прочности по отношению к перенапряжениям, возникающим в эксплуатации. 

Испытательное напряжение должно прикладываться к изоляции в 

течение времени, достаточного для развития частичных разрядов или 

даже развития разряда до пробоя. Вместе с тем чрезмерно длительное 
приложение напряжения нежелательно, так как ведет к порче органической изоляции вследствие ионизационных процессов. 

На транспортных предприятиях электрическую прочность изоля
ции двигателей проверяют между токоведущими частями и корпусом и 
между обмотками. Проверку проводят на нагретой неподвижной машине повышенным напряжением промышленной частоты. При проверке изоляции относительно корпуса испытанию подвергают поочередно каждую цепь, имеющую отдельные выводы (начало и конец). 
При этом один вывод источника испытательного напряжения подключают к любому из выводов испытываемой обмотки, а другой – надёжно заземляют, соединив с корпусом машины. 

С заземленным выводом на время испытаний данной обмотки 

электрически соединяют выводы всех остальных обмоток, не участвующих в испытании. В качестве источника напряжения применяют специальные однофазные трансформаторы, так называемые «пробивные». 
Первичную (секционированную) обмотку трансформатора подключают к сети 220 В. Регулируют испытательное напряжение eго плавным 
или ступенчатым изменением на стороне питающего напряжения 
трансформатора (величина ступени испытательного напряжения не 
должна превышать 5 % его окончательного значения). 

Испытание начинают с напряжения, величина которого не превыша
ет 1/3 испытательного, время подъёма напряжения от половинного значения до полного должно быть не менее 10 с. Полное испытательное 
напряжение выдерживают в течение 1 мин, после чего плавно снижают 
до 1/3 испытательного и отключают питание трансформатора. 

Величина испытательного напряжения определяется «Правилами 

ремонта электрических машин электроподвижного состава». Испытательное напряжение контролируют на стороне трансформированного 
напряжения электростатическим вольтметром. Результаты испытаний 
относительно корпуса и между обмотками считают удовлетворительными, если во время их проведения не произошло пробоя изоляции 
или перекрытия ее скользящими разрядами. 

1.2. Контроль искрения  

Одним из существенных факторов, влияющих на режим работы тя
говых двигателей, является точность установки щёток на геометрической нейтрали с помощью поворотной траверсы. Смещение щёток с 

нейтрали приводит к расхождению скоростных характеристик и к повышенному износу щёток и коллекторов, способствует возникновению 
кругового огня. Так, смещение траверсы на 10 мм вызывает изменение 
тока двигателя на 21 %; смещение траверсы на 5 мм в режиме, близком 
к часовому, приводит к увеличению степени искрения на 1 балл. 

Для контроля установки щёток на нейтрали можно также исполь
зовать специальное переносное устройство А-1938, разработанное 
ВНИИЖТ и ПКБ ЦТ. Принцип его работы основан на наличии трансформаторной связи между обмотками главных полюсов и якоря. 

Устройство для установки щёток на нейтрали включает в себя из
меритель напряжения (ИН) и источник питания (рис. 1.2, а, б). 

 

μА

а

Т1

VD1
R1
R2

R3

R4

R5

VD2

C1

VD3
SA1

Т2
FU

L

M

220 В

PV

EL

б
 

Рис. 1.2. Устройство для контроля установки щёток  
                                на нейтрали: 

а – схема измерения напряжения; б – схема подключения  
       устройства к проверяемому тяговому двигателю 

Для повышения чувствительности в ИН установлен повышающий 

трансформатор  T1  c коэффициентом трансформации 25, что позволило компенсировать падение напряжения на диоде  VD1.  Для придания 
в схеме линейной характеристики ИН включены диоды  VD2  и  VD3.