6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Современные системы железнодорожной автоматики и телемеханики, применяемые на железных дорогах для регулирования движения поездов, автоматизации процесса расформирования составов на сортировочных горках, а также для обеспечения безопасности движения, строятся на использовании электрических рельсовых цепей как основных путевых датчиков и телемеханических каналов.

За последние годы внедрено и создано большое количество новых видов рельсовых цепей. Значительно изменился и характер работы рельсовых цепей в связи с применением железобетонных шнал, повышенной частоты сигнального тока, полупроводниковых приборов.

Большой вклад в теорию, практику но усовершенствованию и проектированию существующих и созданию новых видов рельсовых цепей внесли ведущие специалисты ВНИИЖТ (ВНИИАС): М. И. Вахнин, Н. Ф. Пенкин,

В. А. Минин, В. С. Дмитриев, В. С. Лучинин,

А. А. Талыков, А. П. Разгонов, М. А. Покровский, А. В. Шишляков, ЦШ, ЛИИЖТ: Н. О. Рогинский, ГТСС: П. С. Манусевич, Е. В. Никитина, Д. П. Лаптев, А. И. Ушкалов, Т. Л. Лебедева, Ю. В. Соболев, МИИТа: А. М. Брыле-ев, Ю. А. Кравцов.

Рельсовой цепью называется электрическая цепь, проводниками которой служат рельсовые нити железнодорожного пути (рис. 6.1). На рис.

6.2 приведено устройство изолирующего стыка в рельсовой цепи. Рельсовые цепи являются основным элементом всех устройств железнодорожной автоматики и телемеханики: автоблокировки, автоматической локомотивной сигнализации, электрической централизации стрелок и сигналов, диспетчерского контроля движения поездов, автоматической переездной сигнализации и ряда других систем.

В этих системах рельсовые цепи выполняют разнообразные и ответственные функции. Они автоматически непрерывно контролируют состояние путевых участков на перегонах и станциях и целостность рельсовых нитей, исключая возможность приема поезда на занятый путь, не позволяют перевести стрелку под составом, а также обеспечивают индикацию контроля свободное™ или занятости путей и стрелок на ап-

Электрическая рельсовая цепь
Рис. 6.1. Электрическая рельсовая цепь:

1 - источник электропитания (передатчик); 2 - ограничитель тока; 3 - кабельные стойки для подключения источника электропитания и путевого приемника к рельсам; 4 - изолирующие стыки; 5 - стыковые соединители; 6 - рельсовые нити; 7 - путевой приемник иарате управления; с их помощью передаются кодовые сигналы на локомотив для действия устройств автоматической локомотивной сигнализации, обеспечивается увязка между показаниями светофоров в кодовой автоблокировке; в системах переездной сигнализации они обеспечивают автоматический контроль приближения поездов к переездам и последующий контроль их проследования. Рельсовые цепи являются основой всех разрабатываемых систем автоматического управления и контроля движения поездов на железнодорожном транспорте, в значительной мере повышая безопасность движения поездов.

Рельсовые цени впервые были применены в 1872 г., и вот уже в течение более 100 лет продолжается их внедрение на железнодорожном транспорте различных стран. Многочисленные попытки заменить рельсовые цепи более совершенными средствами до настоящего времени не дали ожидаемых результатов. Такие устройства нашли лишь ограниченное применение или находятся в стадии разработки и эксплуатационных испытаний.

Трудно или практически невозможно получить в других устройствах такие замечательные свойства рельсовых цепей, как падежное и практически безошибочное фиксирование свободное™ и занятости путевых участков подвижным составом, не оборудованным специальными устройствами, или при следовании его с неисправными устройствами; автоматический контроль целостности рельсовых нитей; автоматическое восстановление нормальной и безопасной работы без специальных запоминающих устройств после отключения и последующего включения источника питания или при замене аппаратуры и оборудования; непрерывная непосредственная связь между поездами и состоянием пути и ряд других преимуществ.

Вместе с тем рельсовые цепи имеют ряд недостатков, снижающих их эксплуатационно-техническую эффективность: зависимость их работы от состояния верхнего строения пути (балласта, шпал, рельсов, соединителей и других элементов), климатических условий (наиболее неблагоприятны районы с суровым климатом, а также районы, в которых наблюдаются значительные колебания температуры и влажности); ухудшение шунтового эффекта при загрязненности поверхности рельсов и колесных пар; значительные затраты труда и средств на техническое обслуживание и ряд других недостатков. Поэтому создание новых и совершенствование существующих рельсовых цепей совмещаются с научными исследованиями и разработкой устройств, которые могли бы заменить рельсовые цепи.

По устройству и электрическим параметрам рельсовые цепи значительно отличаются от воздушных линий связи и электропередачи, провода которых размещены на большом расстоянии от земли, хорошо электрически изолированы друг от друга и от несущих их опор, а отдельные части проводов в стыках надежно соединены между собой. Поэтому электрические параметры линий связи и электропередачи достаточно стабильны, причем сопротивление изоляции проводов между собой и по отношению к земле достаточно велико. По сравнению с ними рельсовые цепи находятся в более тяжелых условиях, так как их проводники - рельсы - слабо электрически изолированы от земли и друг от друга; изоляторами рельсов являются шпалы, погруженные в балластный слой.

Шпалы и балласт в значительной мере изменяют свою электрическую проводимость в зависимости от наличия в них влаги, изменений окружающей температуры и других факторов. Поэтому сопротивление изоляции рельсовой цепи, или, как принято его называть, сопротивление балласта, получается очень низким и весьма нестабильным (изменяется от 0,25 до 100 Ом • км).

Нормативное сопротивление балласта принято 1 Ом км.

Звенья рельсов в большинстве случаев имеют небольшую длину (12,5 и 25 м) и соединяются между собой стальными накладками, не создающими устойчивый электрический контакт. Поэтому, несмотря на установку стыковых соединителей, сопротивление рельсов, особенно при постоянном токе, меняется в значительных пределах.

Особенно тяжелые условия для работы рельсовых цепей переменного тока создаются на электрифицированных участках, где па величину и характер изменения электрических параметров цепей влияют дополнительные факторы: протекание по рельсам токов электротяги, наличие кондуктивной связи между соседними цепями, присоединение к рельсам металлических опор контактной сети. Все эти обстоятельства необходимо учитывать при анализе и расчетах рельсовых цепей.

Главная особенность электрических рельсовых цепей заключается в том, что они работают в нескольких режимах, наиболее тяжелые условия для каждого из которых создаются при разных значениях электрических параметров элементов цепи.

В связи с этим приходится выбирать такие параметры элементов цепи, которые могут быть оптимальными или приближаться к ним лишь для какого-то одного режима. Выбирая параметры элементов цепи таким образом, всегда необходимо знать, в какой мере ухудшаются условия работы при других режимах. Поэтому при математических исследованиях уравнений, характеризующих каждый из режимов, недостаточно найти только оптимальные значения независимых переменных величин, а нужно исследовать графики функций, отображающие эти уравнения. Общая теория рельсовых цепей строится на основе всестороннего изучения и анализа каждого режима. При анализе рельсовых цепей переменного тока изменение комплексных величии необходимо рассматривать как функции комплексных переменных.

Как всякая электрическая рельсовая цепь, простейшая рельсовая цепь постоянного тока с непрерывным питанием (рис. 6.3) имеет источник питания, в данном случае путевой выпрямитель ВАК-14 (выпрямитель аккумуляторный купроксный), работающий в буферном режиме с аккумулятором АБН-72 (автоблокировочный с намазными пластинами на номинальную емкость 72 Ач). Источник питания подключают к рельсовым нитям через ограничитель тока - ре-1улируемый резистор Л). На другом конце цепи к рельсовым нитям подключен путевой приемник - нейтральное путевое реле П. Смежные рельсовые цепи разделяются одна от другой изолирующими стыками ИС. При свободности цепи через обмотку путевого реле протекает ток; якорь реле притянут, а его общие и фронтовые контакты замкнуты. Эти контакты используются в цепях управления и контроля (автоблокировки, электрической централизации, переездной сигнализации и в других устройствах).

При вступлении на рельсовую цепь подвижного состава увеличивается ток источника питания за счет замыкания его через колесные пары, имеющие низкое электрическое сопротивление. Возрастание тока вызывает увеличение падения напряжения на ограничителе (при нахождении поезда на питающем конце практически все напряжение источника падает на резисторе /?„); резко уменьшается падение напряжения па обмотке путевого реле, оно отпускает якорь, замыкаются тыловые контакты реле, контролируется занятость рельсовой цепи.

Снижение тока (напряжения) в обмотках реле под действием колесных пар называется шун-товым эффектом, а колесные пары в данном случае называются поездным шунтом. В электрическое сопротивление поездного шунта входит сопротивление самих колесных пар и переходное сопротивление между бандажами колес и рельсами. Для железных дорог России нормативное значение сопротивления поездного шунта принято 0,06 Ом. Такое сопротивление может иметь одна колесная пара у легкой подвижной единицы вместе с переходным сопротивлением между бандажами и чистыми головками рельсов.

Шунтовой эффект в рельсовой цепи в значительной мере обеспечивается ограничивающим резистором До. При его отсутствии в случае большой мощности источника питания под воздействием поездного шунта произошло бы лишь возрастание тока источника, а напряжение на рельсах (значит, и на зажимах путевого реле) практически не изменилось бы, и реле могло остаться возбужденным. Таким образом, основным назначением ограничителя является обеспечение тутового эффекта рельсовой цепи. Одновременно он снижает ток при нахождении поезда на питающем конце, защищая источник от разрушения. В рельсовых цепях постоянного тока ограничитель используют, кроме того, для регулировки рельсовой цепи. Наличие ограничителя является обязательным. В рельсовых цепях переменного тока в качестве ограничителя можно применять реактор (индуктивное сопротивление) или конденсатор (емкостное сопротивление).

Путевое реле фиксирует не только занятость рельсовой цепи ее подвижным составом, но и целостность рельсовых нитей пути. В случае полного излома рельса нарушается цепь питания путевого реле, оно отпускает якорь, фиксируя неисправность рельсовой нити. Свойство рельсовой цепи контролировать исправность рельсовых нитей называется чувствительностью к излому (повреждению) рельса.

Основные требования к рельсовым цепям и порядок их работы определены Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (ПТЭ) при изложении требований к устройствам автоблокировки, электрической централизации и другим системам, в которых применяются рельсовые цепи. При автоблокировке все светофоры должны автоматически закрываться с входом поезда на ограждаемые ими блок-участки, а также в случае нарушения целости рельсовых цепей этих участков.

На станциях, расположенных на линиях, оборудованных автоматической или полуавтоматической блокировкой, с помощью рельсовых цепей должна исключаться возможность открытия сигнала при установке маршрута на занятый путь и обеспечиваться контроль занятости путей и стрелочных секций на аппарате управления.

На станциях с электрической централизацией рельсовые цепи, кроме того, исключают воз можность перевода стрелки под подвижным составом.

В системе автоматической переездной сигнализации, в том числе и при автоматических шлагбаумах, с помощью рельсовых цепей обеспечивается подача сигнала остановки в сторону автомобильной дороги, а в системе автоматической оповестительной сигнализации - сигнала оповещения о приближении поезда за время, необходимое для заблаговремечшого освобождения переезда транспортными средствами до подхода поезда к переезду.

Автоматические шлагбаумы остаются в закрытом положении, а автоматическая сигнализация продолжает действовать до полного освобождения переезда поездом, что фиксируется с помощью рельсовых цепей.

К рельсовым цепям предъявляются следующие основные требования: при отсутствии подвижного состава на рельсовой цепи должна подаваться информация о свободное™ ее; при наличии на рельсовой цепи хотя бы одной колесной пары подвижного состава и при повреждении рельса (электрическом разрыве рельсовой нити) или любого элемента схемы рельсовой цепи должна подаваться информация о ее занятости. Указанные выше требования должны выполняться при самых неблагоприятных условиях, в которых может оказаться рельсовая цепь, хотя бы даже на короткое время. Исходя из этих требований, при проектировании, расчетах и исследованиях различают три основных режима работы рельсовых цепей: нормальный (регулировочный), шунтовой и контрол ьный (режим контроля поврежденного рельса). На условия работы цепи в каждом из режимов влияют три независимые переменные величины: сопротивление балласта, сопротивление рельсов и напряжение источника тока. Каждая из переменных влияет на эти режимы по-разному. Для нормального режима наиболее неблагоприятны такие значения переменных величин, при которых ток в приемнике получается минимальным: максимальное сопротивление рельсов, минимальное сопротивление балласта и минимальное напряжение источника питания. Для шунтового режима неблагоприятны такие значения этих величин, при которых ток в приемнике является максимальным: минимальное сопротивление рельсов, максимальное сопротивление балласта и макси-

Режим рельсовой цепи

Удельное электрическое сопротив їси не рельсов

Удельное электрическое сон роті і вл ей и е ба.гласта

Напряжение источника питания

Нормальный и АЛ С

Шунтовой

Контрольный

Максимальної'

Минимальное

»

Минимальное Максимальное Критическое(определяется расчетом)

Минимальное

Максимальное

»

малыше напряжение источника питания (табл.6.1).

Наиболее тяжелые условия для контрольного режима создаются при максимальном напряжении источника питания, но не при максимальном, а при так называемом критическом значении сопротивления балласта, которое раз шчно для каждой конкретной цепи. Эго объясняется тем, что при повреждении рельса не происходит полного электрического разрыва рельсовой цепи вследствие утечки тока через балласт, в обход места разрыва; поэтому сопротивление балласта сложным образом влияет на условия контрольного режима. Характер влияния указанных переменных величин на условия работы рельсовой цепи при различных режимах зависит от принятой схемы, параметров аппаратуры и длины рельсовой цепи.

По условиям нормального режима желательно выбрать параметры аппаратуры питающего и релейного концов рельсовой цепи, в том числе и путевого реле, таким образом, чтобы передача электрической энергии от источника тока к приемнику происходила с возможно меньшими потерями мощности.

По условиям шунтового режима параметры всех элементов цепи должны быть выбраны таким образом, чтобы шунтовая чувствительность была бы возможно выше, поскольку под влиянием различных факторов сопротивление поездного шунта может значительно увеличиваться. Однако при чрезмерно высокой шунто-вой чувствительности цепи может нарушиться ее работа при низком сопротивлении балласта, и чувствительность цени к поврежденному рельсу обычно понижается. Мерой шунтовой чувствительности рельсовой цепи является величина сопротивления шунта, при наложении которого на рельсовую линию ток в путевом приемнике снижается до величины, обеспечивающей надежную информацию о занятости рельсовой цепи.

Обычно шунтовая чувствительность в различных точках рельсовой линии неодинакова. Поэтому для всей рельсовой цени определяющем! является предельная шунтовая чувствительность, или минимальное значение шунтовой чувствительности, определяемое расчетом при паи худших для шунтового эффекта условиях.

Для проверки шунтовой чувствительности вво цітся нормативное сопротивление поездного шунта. В России оно равно 0,06 Ом. Это значит, что каждая цепь при любых условиях должна по щвать информацию о занятости при наложении на нее шунта сопротивлением 0,06 Ом и меньше. Такая же величина нормативного шунта принята во многих странах. Нормативная величина шунта устанавливается поданным измерений и представляет собой максимальное сопротивление поездного шунта.

Сопротивление поездного шунта складывается из сопротивления собственно колесных пар поезда Я™ (рис. ]- 3) и переходного сопротивления /?,, в точках А и Б между бандажом и поверхностью головки рельса. Так как поверхность соприкосновения бандажа и рельса очень мала, то » Я™. Даже при переменном токе, когда сопротивление собственно колесной пары увеличивается за счет появления индуктивной составляющей, приведенное неравенство сохраняется. Таким образом, сопротивление поездного шунта определяется в основном переходным сопротивлением между бандажом и рельсом; установлено, что это переходное сопротивление является активным.

Сопротивление поездного шунта изменяется в очень широких пределах - от тысячных долей ома до 0,02-0,06 Ом и зависит от состояния поверхности головок рельсов, количества осей на рельсовой цепи, величины давления на ось, скорости движения поезда, качества и времени насадки бандажей и пр. Чем меньше колесных пар находится на рельсовой цепи и чем меньше давление на каждую ось, тем выше сопротивление поездного шунта. Особенно сильно (в 5-10 раз) это сопротивление возрастает при появлении ржавчины на головках рельсов, при обледенении и при загрязнении головок рельсов песком, шлаком, жировой пленкой нефтяных продуктов и т. д. Некоторые колесные пары имеют повышенное переходное сопротивление между бандажом и ободом колеса.

На заграничных железных дорогах имеются участки, где регулярно обращаются легковесные автомотрисы или дрезины несъемного типа с малым давлением па ось. Для таких случаев нормативная величина сопротивления шунта увеличивается до 0,5-1,0 Ом и применяются особые способы повышения шунтовой чувствительности при проходе легковесных единиц.

По условиям контрольного режима параметры составных элементов рельсовой цепи должны быть выбраны таким образом, чтобы при повреждении рельса ток в реле снижался до величин, при которых обеспечивается надежная подача сигнала занятости. Требование об обязательном контроле поврежденного рельса предъявляется к рельсовым цепям в странах с суровы-мп климатическими условиями и большой интенсивностью движения поездов (Россия, США и др.).

К некоторым видам цепей переменного тока, применяемых для электрифицированных участков, предъявляются еще и другие требования. Так, например, двухниточные цепи должны обеспечивать надежное действие устройств АЛ С. Это требование выражается в том, что при вступлении поезда па релейный конец ток в рельсах под приемными катушками локомотива должен быть нс ниже определенной величины, необходимой для устойчивого действия локомотивных устройств АЛ С. Это требование в дальнейшем для простоты будем называть режимом АЛ С. Поэтому критические условия для нормального режима и режима АЛС совпадают (см. табл. с. 213). Требования АЛС значительно усложняют проектирование рельсовых цепей и во многих случаях являются определяющими при выборе параметров их элементов.

Работа цепей должна также проверяться в режиме короткого замыкания, т. е. при нахождении поездного шун га на питающем конце; такая проверка особенно важна для цепей переменного тока, так как напряжение путевого трансформатора и сопротивление ограничителя в этих цепях мо гут варьироваться в широких пределах, отчего условия режима короткого замыкания будут резко изменяться. Требования режима короткого замыкания во многих случаях являются определяющими для выбора аппаратуры питающего конца и особенно параметров ограничителя.

Таким образом, наиболее сложные виды рельсовых цепей проектируются для работы в пяти режимах - нормальном, шунтовом, контрольном, АЛС и короткого замыкания. Помимо этого, рельсовые цепи должны защищаться от различного рода помех, которые могут вызывать ложный контроль свободности или занятости изолированной секции. Особенно опасными следует считать помехи первого вида. Эти помехи обычно возникают в цепях с непрерывным питанием: в цепях постоянного тока - от блуждающих постоянных токов или от переходных токов от сети поездного освещения (при старой однопроводной схеме); в цепях переменного тока - от гармонических составляющих тягового тока или от токов утечки осветительных сетей. Помехи второго вида могут проявляться при импульсном или некоторых видах кодового питания. Требования защиты рельсовых цепей от помех настолько серьезны, что для их удовлетворения на электрифицированных участках приходится усложнять схемы или даже переходить па сигнальный ток повышенной частоты и коренным образом менять схему цепи.

Помимо всего сказанного, по действующим в России техническим условиям в рельсовых цепях должно также контролироваться появление короткого замыкания в изолирующих стыках. В ряде зарубежных стран этого требования не предъявляется.

При разработке новых п усовершенствовании существующих рельсовых цепей необходимо стремиться к тому, чтобы каждая рельсовая цепь не только была бы совершенной с технической точки зрения и обеспечивала бы все требования, вытекающие из условий безопасности движения поездов, но и была бы в максимальной мере экономичной - имела возможно большую длину, потребляла бы малое количество электроэнергии, не требовала бы большого расхода кабеля и применения дорогой аппаратуры, не нуждалась в затрате большого количества средств и времени на обслуживание и пр.

В тех случаях, когда рельсовые цепи выполняют также функции телемеханических каналов связи, параметры их элементов должны выбираться так, чтобы искажения электрических сигналов, несущих информацию, не превышали установленных допусков.

На отечественных и зарубежных железных дорогах применяют большое число различных видов рельсовых цепей. Например, на железных дорогах России проектируют, строят или эксплуатируют примерно 90 типов рельсовых цепей; более 80 типов рельсовых цепей применяют на железных дорогах Франции, США и ряда других стран, в которых системы автоблокировки и электрической централизации получили широкое распространение. Большое число типов рельсовых цепей обусловлено разнообразием функций, выполняемых ими, различными видами тяги поездов, типами и надежностью источников основного и резервного электропитания, местом применения, типом используемой аппаратуры и другими причинами.

Рельсовые цепи (рц) используются как основной путевой датчик и телемеханический канал непрерывного типа в автоматической блокировке (АБ), автоматической локомотивной сигнализации непрерывного тина (АЛСН), электрической централизации (ЭЦ), диспетчерской централизации (ДЦ).

Как путевой датчик РЦ используется в пределах перегонов и станций для получения первичной дискретной информации о состоянии путевых участков и целостности рельсовых нитей, на основе которой автоматизируется процесс управления движением поездов и повышается его безопасность.

Как путевой телемеханический канал РЦ широко используется для установления беспроводной логической связи между смежными исполнительно-распорядительными пунктами (сигнальными точками) в кодовой АБ и передачи оперативной информации с пути на локомотив в системах АЛСН, которыми оборудованы все основные магистрали железных дорог.

РЦ широко используются в системах: автоматических ограждающих устройств (АОУ), значительно повышающих эффективность использования автотранспорта и безопасность движения по железнодорожным переездам; автоматического контроля за движением поездов (ДК), повышающего эффективность работы диспетчеров отделений железных дорог; горочной автоматической! централизации (ГАЦ) и автоматического регулирования скорости (АРС), автоматизирующих процесс роспуска составов на сортировочных горках и повышающих эффективность их работы; автоматического контроля перегона в системах путевой полуавтоматической блокировки (ПАБ), повышающих пропускную способность участков п безопасность движения поездов, и др.

Большое количество типов РЦ и пх модификаций определяется различным сочетанием основных факторов, оказывающих влияние на выбор схемы РЦ и аппаратуры для нее. К таким факторам относятся:

область применения - перегон (с АБ или ПАБ), станция (путевые или стрелочные участки), сортировочная горка - стрелочные или межстрелочные участки, подгорочный парк, АОУ (в зоне перегонов, в зоне станций);

вид тяги - автономная тяга (автономная с последующим переходом на электротягу постоянного или переменного тока, без последующего перехода па электротягу), электротяга постоянного тока, электротяга переменного тока, электротяга постоянного и переменного тока (в зоне станций стыкования двух видов электротяги);

- род сигнального тока - постоянный ток, перемен ный ток различной частоты, постоянный и переменный ток (в РЦ с двукратным использованием тракта передачи);

- схема канализации тягового тока - двухниточная с двумя дроссель-трансформаторами, двухниточная с одним дроссель-трансформатором и однониточная;

режим питания РЦ - непрерывный, импульсный или кодовый;

тип путевого приемника - постоянного тока: нейтральный, поляризованный или комбинированный; переменного тока: одноэлементный и двухэлементный или фазочувствительный (ФЧП);

-способ наложения кодовых сигналов АЛСН - непрерывный (в кодовой АБ), после вступления поезда на РЦ, предварительный (при задании маршрута);

- место наложения кодовых сигналов АЛСН - с питающего или релейного концов РЦ, с обоих концов РЦ.

Выбор частоты сигнального тока определяется типом применяемых на перегоне систем автоблокировки и АЛСН.

Указатели типа «Метро» | Автоматика, телемеханика, связь и вычислительная техника на железных дорогах России | Технические требования к рельсовым цепям

Рекомендуемый контент: