Основы теории рельсовых цепей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы теории рельсовых цепей



Введение

Теория рельсовых цепей применяется для проведения синтеза, анализа и расчета рельсовых цепей с использованием их математических моделей.

Указанные модели устанавливают взаимозависимость сигналов и параметров РЦ и позволяют определить реакцию РЦ на различные воздействия. Для этого употребляются математические выражения теории электрически длинных линий с распределенными параметрами, модифицированные с учетом особенностей рельсовых цепей, а также совокупность критериев и граничных условий, характеризующих требования к работе рельсовых цепей в различных условиях.

Синтез РЦ заключается в разработке РЦ для заданных условий эксплуатации и требований с выбором оптимальных параметров элементов схемы. При синтезе в качестве основных требований могут быть предъявлены, например, требования получения максимальной длины при заданном минимальном удельном сопротивлении балласта.

При анализе РЦ проводится исследование влияния различных факторов на работу РЦ (например, влияние параметров рельсовой линии и аппаратуры на коэффициент полезного действия).

Расчет РЦ является инженерной задачей и заключается в расчете источника питания и проверке работоспособности конкретной РЦ заданной длины при различных внешних условиях и воздействиях.



1. Режимы работы и критерии оценки рельсовых цепей

РЦ может находиться в разных рабочих состояниях (режимах работы), основными из которых являются нормальный, шунтовой и контрольный.

В теории рельсовых цепей рассматривают также режим автоматической локомотивной сигнализации (режим АЛС) и режим короткого замыкания аппаратуры питающего конца РЦ при вступлении поезда.

Достоверность выполнения того или иного режима реальной РЦ существенно зависит от внешних условий. Рассмотрим режимы работы РЦ и критерии, характеризующие эти режимы.

Нормальный режим соответствует свободному и исправному состоянию рельсовой цепи. Напряжение на путевом приемнике при наихудших условиях должно быть не ниже напряжения надежного срабатывания (рабочее напряжение ), а при наилучших - не выше допустимого напряжения перегрузки путевого приемника

.

Принимают

, (3.1)

где - напряжение срабатывания реле данного типа (по паспорту);

- коэффициент запаса по срабатыванию реле. Для электромагнитных реле при непрерывном питании=1; при импульсном =1,2 (для улучшения временных характеристик реле); для реле типа ДСШ =1,25…1,4.

При условиях, наилучших для нормального режима (наилучшие условия с точки зрения передачи энергии от передатчика к путевому приемнику), напряжение на обмотке путевого реле увеличивается (перегрузка приемника), что может привести к выходу его из строя. Допустимое напряжение перегрузки путевого приемника

(3.2)

где - допустимый коэффициент перегрузки реле данного типа (по паспорту).

Рельсовую цепь в нормальном режиме можно оценивать также по критерию величины напряжения источника питания. При этом должно выполняться условие

,

где - напряжение питания РЦ, обеспечивающее напряжение на путевом приемнике при наихудших условиях;

- фактическое напряжение источника питания;

- напряжение питания РЦ, обеспечивающее напряжение на путевом приемнике при наилучших условиях.

Шунтовой режим наступает при занятости РЦ подвижным составом. Напряжение на путевом приемнике при наихудших условиях должно быть не выше напряжения надежного несрабатывания



где - коэффициент запаса по несрабатыванию реле. Для электромагнитных реле при непрерывном питании=0,6; при импульсном =0,7; для реле типа ДСШ =0,85.

- напряжение несрабатывания. При непрерывном питании (напряжение отпускания по паспорту), при импульсном .

При рассмотрении работы РЦ в шунтовом режиме необходимо учитывать, что поездной шунт (сопротивление колесных пар подвижной единицы и переходные сопротивления "рельс-колесо") имеет некоторое сопротивление и не оказывает полного шунтирующего воздействия, т. е. на путевой приемник попадает часть тока источника питания. Это может привести к опасной ситуации, когда при занятой РЦ путевое реле не отпустит свой якорь.

Рельсовая цепь в шунтовом режиме может характеризоваться одним из двух критериев - абсолютная шунтовая чувствительность или коэффициент чувствительности к нормативному шунту.

Абсолютная шунтовая чувствительность Rш- это такое максимальное сопротивление шунта, при наложении которого в наихудшей точке рельсовой линии при наихудших условиях напряжение на путевом реле снижается до величины напряжения надежного несрабатывания. Это означает, что РЦ при наихудших условиях "почувствует", то есть зафиксирует вступление любого поезда с сопротивлением поездного шунта в пределах от 0 до величины, равной шунтовой чувствительности РЦ.

Путем измерений было установлено, что сопротивление поездного шунта не превышает 0,06 Ом. Данная величина принята в качестве нормативного шунта =0,06 Ом. Исходя из этого, к шунтовой чувствительности РЦ предъявляется требование



?0,06 Ом. (3.3)

Коэффициент чувствительности к нормативному шунту Кш (или коэффициент шунтовой чувствительности) количественно оценивает эффект снижения напряжения на входе путевого приемника при наложении шунта и определяется по формуле

(3.4)

где -модуль фактического напряжения на путевом реле при наложении нормативного шунта в наихудшей точке при наихудших условиях;

-модуль максимально допустимого напряжения питания РЦ в шунтовом режиме (напряжение питания РЦ, обеспечивающее напряжение на путевом приемнике, равное напряжению надежного несрабатывания, при наложении нормативного шунта в наихудшей точке при наихудших условиях).

Для любой рельсовой цепи должно выполняться условие

?1. (3.5)

Контрольный режим характеризуется изломом или изъятием рельса. Напряжение на путевом приемнике при наихудших условиях и изломе в наихудшей точке должно быть не выше напряжения надежного несрабатывания.

Критерием оценки РЦ в этом режиме является коэффициент чувствительности к повреждению рельса



(3.6)

где - модуль фактического напряжения на путевом реле при изломе рельса в наихудшей точке при наихудших условиях;

- модуль максимально допустимого напряжения питания РЦ в контрольном режиме (напряжение питания РЦ, обеспечивающее напряжение на путевом приемнике, равное напряжению надежного несрабатывания, при изломе рельса в наихудшей точке при наихудших условиях).

Для любой рельсовой цепи должно выполняться условие

?1.

Режим АЛС соответствует наложению шунта (нахождению поезда) на релейном конце рельсовой линии. При этом ток в рельсах в конце рельсовой линии (под приемными катушками локомотива) при наихудших условиях должен быть не ниже нормативного, т. е. должно выполняться условие

.

Величина нормативного тока зависит от вида тяги поездов и составляет:

при автономной тяге 1,2 А,

при электрической тяге постоянного тока 2 А,

при электрической тяге переменного тока 1,4 А.



2. Наихудшие условия работы рельсовых цепей

При формулировке требований к выполнению тех или иных режимов работы РЦ оговаривалось, что они должны выполняться при наихудших для данных режимов условиях. Очевидно, что при более благоприятных условиях данный режим тем более будет выполняться.

В качестве таких условий учитываются:

Напряжение источника питания, которое изменяется из-за колебания напряжения сети.

Удельная проводимость изоляции рельсовой линии (сопротивление балласта), величина которой существенно зависит от температуры окружающей среды, материала и степени засоленности балласта и шпал, а также от их влажности.

Удельное сопротивление рельсов, изменение которого связано, в основном, с состоянием стыковых соединителей. Это изменение учитывается только при расчетах рельсовых цепей постоянного тока.

Координата точки наложения шунта или излома рельса.

Наибольшее влияние на работу РЦ оказывает удельное сопротивление балласта, что вызвано большими пределами его изменения. В реальных условиях оно изменяется от долей до нескольких сотенОм•км. При расчетах обычно в качестве минимального значения принимают 1 Ом•км, в качестве максимального - ?.

Наихудшие условия для каждого режима показаны в табл. 1.

Для понимания данных, приведенных в табл. 1, необходимо учесть, что наихудшие условия это такие условия, дальнейшее ухудшение которых приводит к нарушению рассматриваемого режима работы РЦ. Например, в нормальном режиме путевое реле должно быть возбуждено. Нарушением данного режима является обесточивание реле. Тогда наихудшими будут такие условия, которые приводят к уменьшению напряжения на реле, т.е. минимальное напряжение источника питания, минимальное удельное сопротивление балласта, максимальное удельное сопротивление рельсов. В шунтовом и контрольном режимах учитывается также наихудшая точка наложения шунта или излома рельса.

Таблица 1. Наихудшие условия работы рельсовых цепей

Режим работы рельсовой цепи	Наихудшее значение параметра
	Удельное сопротивление изоляции РЛ	Напряжение источника питания	Удельное сопротивление рельсов
Нормальный	минимальное	минимальное	максимальное
Шунтовой	максимальное	максимальное	минимальное
Контрольный	критическое	максимальное	минимальное
Режим АЛС	минимальное	минимальное	максимальное

Следует обратить внимание, что в контрольном режиме наихудшим сопротивлением изоляции РЛ является не минимальное и не максимальное, а некоторое критическое значение. При этом значении обеспечивается относительно малое сопротивление для протекания сигнального тока в обход места излома и, в то же время, сохраняются достаточно малые утечки сигнального тока между рельсовыми нитями.

3. Общая и основная схемы замещения РЦ

При анализе и расчете рельсовых цепей удобно пользоваться не принципиальной схемой, а схемой ее замещения. В теории РЦ применяют схемы замещения в виде четырехполюсников. В отдельных случаях для более точного отображения реальных процессов используют шестиполюсники.

Общая схема замещения РЦ может быть представлена в виде трех каскадно соединенных четырехполюсников (рис. 1).

На рисунке изображены: Н и К - четырехполюсники, замещающие аппаратуру в начале и в конце рельсовой линии (питающая и релейная аппаратура РЦ соответственно); РЛ - рельсовый четырехполюсник, замещающий рельсовую линию, в которую входят сопротивления рельсовых нитей, сопротивление изоляции между ними (сопротивление балласта), а в шунтовом режиме дополнительно вводится сопротивление поездного шунта.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Общая схема замещения рельсовой цепи

Индексы коэффициентов четырехполюсников и сигналов, указанные на схеме соответствуют нормальному режиму РЦ. В шунтовом и контрольном режимах схемы замещения аналогичны представленной, но изменяется структура и параметры четырехполюсника рельсовой линии РЛ.

Основой всех расчетных формул являются известные уравнения четырехполюсника, связывающие напряжение и ток в начале четырехполюсника (на входе) с напряжением и током в конце (на выходе).

(3.7)

Коэффициенты четырехполюсников Н и К определяют известными методами теории электрических цепей. На практике для схем, состоящих из сопротивлений, удобно пользоваться таблицами коэффициентов. Коэффициенты четырехполюсников, замещающих типовые трансформаторы и дроссель-трансформаторы, применяемые в системах СЦБ, были определены экспериментально и могут использоваться как справочные данные.

Чаще всего при анализе и синтезе, а при расчете всегда переменными параметрами являются параметры рельсовой линии. Это позволяет применять более простую, так называемую, основную схему замещения (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Основная схема замещения рельсовой цепи

Эта схема получена из общей схемы замещения путем ряда преобразований:

Четырехполюсник К и нагрузка Zпр заменены одним общим сопротивлением эквивалентного приемника, величина которого равна входному сопротивлению Zвхк.

2. Четырехполюсник Н и генератор Г заменены эквивалентным генератором ЭГ и его внутренним сопротивлением Z'вх н.

Параметры элементов основной схемы замещения можно определить через параметры общей схемы следующим образом:

сопротивление эквивалентного приемника

;

напряжение срабатывания этого эквивалентного приемника



где - коэффициент снижения напряжения четырехполюсника К;

сопротивление равно обратному входному сопротивлению четырехполюсника Нпри коротком замыкании его входа, что соответствует внутреннему сопротивлению генератора напряжения и определяется как

;

напряжение эквивалентного генератора ЭГравно напряжению холостого хода на выходе четырехполюсника Н

,

где - обратный коэффициент снижения тока четырехполюсника Н.

Тогда сопротивление передачи основной схемы замещения

. (3.8)

Сопротивление передачи общей схемы замещения через сопротивление основной схемы замещения

, (3.9)



где - коэффициент снижения тока четырехполюсника К.

4. Первичные и вторичные параметры рельсовой линии

Рельсовая линия характеризуется следующими первичными параметрами:

удельное активное сопротивление рельсовых нитей(рельсов)rа (Ом/км);

удельная индуктивность рельсовой линии L (Гн/км);

удельная проводимость изоляции рельсовой линии gи (См/км) или удельное сопротивление изоляции (балласта) rи (Ом км);

удельная емкость рельсовой линииC (Ф/км).

Рассмотрим физическую суть этих параметров.

Удельным электрическим сопротивлением рельсов называют сопротивление рельсовой петли, образованной двумя рельсовыми нитями, длиной 1 км.

Общее сопротивление складывается из сопротивления собственно рельсов и сопротивлений рельсовых стыков, которые представляют собой параллельно включенные сопротивления рельсовых накладок и стыковых соединителей.

Удельное активное сопротивление рельсов постоянному току изменяется в относительно широких пределах и зависит от типа и качества установки стыковых соединителей. Так, при штепсельных соединителях оно равно 0,3…0,6 Ом/км, при стальных приварных - 0,1…0,2 Ом/км. Сопротивление сплошного рельса изменяется от 0,0218 Ом/км (для рельсов типа Р75) до 0,0367 Ом/км (для Р43). Это учитывается при расчетах РЦ постоянного тока.

На активное сопротивление рельсов переменному току влияет не только удельное сопротивление материала рельсов и сечение рельсов, но и явление поверхностного эффекта и потери на перемагничивание стали. Поэтому активное сопротивление рельсов переменному току зависит от частоты сигнального тока и его величины.

Индуктивность рельсовой линии складывается из внутренней индуктивности (индуктивность каждой рельсовой нити) и внешней индуктивности (индуктивность двухпроводной электрической линии и взаимная индуктивность двух контуров "рельс-земля"). Наличие индуктивного сопротивления приводит к существенному увеличению полного удельного сопротивления рельсов переменному току, которое является комплексной величиной z. Значения, принимаемые при расчетах РЦ, приведены в табл. 2.

Видно, что полное сопротивление рельсов незначительно зависит от типа стыковых соединителей. Изменения сопротивлений стыков и тип рельсов также незначительно влияют на величину полного сопротивления рельсов. Поэтому при расчетах РЦ переменного тока изменение сопротивления рельсов не учитывается.

Таблица 2. Расчетные значения удельных сопротивлений рельсов

Тип стыкового соединителя	Частота сигнального тока, Гц
	25	50	75
	Модуль, Ом/км	Аргумент, град.	Модуль, Ом/км	Аргумент град.	Модуль, Ом/км	Аргумент град.
Штепсельный стальной			1,0	56	--	--
Приварной стальной	0,55	50	0,85	60	--	--
Приварной медный	0,5	52	0,8	65	1,07	68

Проводимость изоляции рельсовой линии является распределенным параметром, имеет большую величину, изменяется в широких пределах и оказывает наибольшее влияние на работу РЦ. Проводимость изоляции складывается из электронной проводимости рельсов и металлических деталей скреплений рельсов со шпалами, ионной проводимости электролита, находящегося в шпалах, балласте и грунте, а также проводимости границы раздела элементов с электронной и ионной проводимостями. Величина проводимости зависит от многих факторов: метеорологических условий (температуры воздуха и наличия осадков); качества и влажности балласта, высоты балластного слоя; типа шпал, их качества, состава антисептика и способа пропитки, влажности и степени засоленности. Электролит в балласте и шпалах образуется при растворении естественных солей материала балласта и железобетонных шпал, а также солей, попадающих в балласт из подвижного состава в процессе перевозки грузов. Наибольшей концентрации достигают соли в электролите шпал за счет их накопления при капиллярном впитывании электролита из балласта.

На производстве чаще пользуются понятием "сопротивление балласта".

Интенсивность электрохимических процессов повышается с повышением температуры. Поэтому наименьшее сопротивление балласта наблюдается летом при критическом соотношении высокой температуры и влажности. Нормативное значение минимального удельного сопротивления балласта принято rи min=1 Ом·км. Зимой удельное сопротивление изоляции РЛ составляет 50…100 Ом·км. В расчетах максимальное сопротивление балласта принимается равным бесконечности.

Сопротивление балласта зависит также от степени его засоренности такими электропроводящими материалами как руды металлов, уголь, шлак и т. д.

Наихудшими качествами с точки зрения изоляции обладают железобетонные шпалы, которые являются влагоемкими, содержат естественные соли и металлическую арматуру. Сопротивление одной железобетонной шпалы равно 70…80 Ом, т. е. удельное сопротивление изоляции рельсовой линии с учетом утечек тока только по шпалам составило бы 0,04 Ом·км (при укладке 1840 шпал на 1 км пути). Поэтому при укладке железобетонных шпал используются специальные меры для изоляции рельсов от шпал (резиновые или деревянные бакелизированные подкладки, текстолитовые изолирующие втулки, деревянные дюбели, пропитанные специальными маслянистыми составами).

Емкость рельсовой линии складывается из емкости между рельсами как обкладками конденсатора с воздухом и балластом в качестве диэлектрика, псевдоемкости (поляризационной емкости) электролита, емкости слоя между металлом и электролитом. На низких частотах емкость РЛ сказывается незначительно, поэтому в расчетах не учитывается.

При расчетах рельсовых цепей удобно пользоваться вторичными, или волновыми параметрами рельсовой линии. Рельсовая линия представляет собой электрически длинную линию с распределенными параметрами. Тогда для нее:

коэффициент распространения волны

; (3.10)

коэффициент затухания б и фазовый коэффициент в с учетом того, что , определяются как

,

;

волновое сопротивление

, Ом; (3.11)

коэффициенты четырехполюсника рельсовой линии

, (3.12)



где - длина РЛ, км.

5. Методы расчета рельсовых цепей

Общей целью расчета является расчет источника питания конкретной РЦ заданной длины и проверка выполнения всех режимов работы по принятым критериям.

Расчет проводится отдельно для каждого режима.

Расчет нормального режима.

Задачи расчета нормального режима:

а) выбор напряжения, тока и мощности источника питания;

б) проверка работоспособности РЦ в нормальном режиме по критерию перегрузки путевого приемника при выбранном напряжении питания.

Исходные данные для расчета:

ток и напряжения надежного срабатывания путевого приемника;

принципиальная схема РЦ и параметры элементов;

удельное сопротивление рельсов для заданной частоты сигнального тока;

минимальное удельное сопротивление изоляции рельсовой линии;

длина рельсовой цепи.

Алгоритм расчета.

а) Расчет источника питания.

Рассчитать в соответствии с формулами (3.10, 3.11, 3.12) коэффициенты четырехполюсника рельсовой линии с учетом условий, наихудших для нормального режима.

Определить коэффициенты четырехполюсников Н и К (см. рис. 1) по принципиальным схемам и параметрам элементов.

Вычислить рабочие значения напряжения и тока приемника в соответствии с (3.1). При этом аргумент тока приемника принимается равным нулю, а аргумент напряжения - аргументу комплексного сопротивления приемника.

По значениям и определить через коэффициенты четырехполюсников с использованием уравнений (3.7) ток и напряжение питания РЦ. Полученные значения являются минимальными значениями и для выполнения нормального режима.

Очевидно, что при колебаниях напряжения сети нормальный режим рельсовой цепи может быть нарушен. Поэтому необходимо определить номинальное напряжения питания РЦ, обеспечивающее выполнение нормального режима при уменьшении напряжения сети

,

где - коэффициент нестабильности источника питания при снижении напряжения сети от номинального значения к минимальному. Для трансформаторов принимается ; для преобразователей частоты типа ПЧ50/25 - (т. к. преобразователь обладает свойством стабилизатора напряжения).

По справочным данным выбрать ближайшее большее фактическое напряжение , которое может быть получено на выходе выбранного источника питания. Эта величина и будет напряжением питания рельсовой цепи.

Определить фактический ток, потребляемый рельсовой цепью при этом напряжении,

,



где - коэффициент градации, характеризующий увеличение фактического напряжения питания РЦ по сравнению с номинальным из-за конструктивных особенностей источника питания.

Определить фактическую потребляемую мощность

.

Проверить соответствие полученных данных справочным данным выбранного источника питания по допустимой мощности и току.

б) Расчет перегрузки приемника.

Выбрать из справочника или рассчитать в соответствии с (3.2)допустимый коэффициент перегрузки приемника .

Определить фактический коэффициент перегрузки приемника одним из следующих способов:

,

где - максимальное напряжение, которое возникает на приемнике при наилучших для нормального режима условиях. Это напряжение может быть вычислено на основании уравнений (3.7) для z=zmin, rи=? с учетом того, что напряжение питания РЦ из-за колебания напряжения в сети увеличилось в 1,07 раз.

,



где - коэффициент нестабильности источника питания при изменении напряжения сети от минимума к максимуму (для трансформаторов - 1,25; для преобразователей частоты - 1,05);

- модуль комплекса максимального сопротивления передачи схемы замещения (при и );

- модуль комплекса минимального сопротивления передачи схемы замещения (при и ).

и определяются по формуле (3.8) для соответствующих значений коэффициентов рельсового четырехполюсника.

3. Проверить условие . Если оно выполняется, то значит рельсовая цепь удовлетворяет требованиям, предъявляемым к нормальному режиму.

Расчет шунтового режима.

Задача расчета шунтового режима заключается в проверке условия выполнения шунтового режима по критерию абсолютной шунтовой чувствительности (3.3) или по коэффициенту шунтовой чувствительности (3.5).

Основные исходные данные для расчета:

напряжение питания рельсовой цепи Uф, полученное при расчете нормального режима;

параметры аппаратуры и рельсовой линии;

коэффициент возврата путевого приемника;

напряжение срабатывания (для РЦ с импульсным питанием) или напряжение отпускания (для РЦ с непрерывным питанием) путевого реле.

а) Непосредственный метод расчета шунтового режима.

Формула для определения шунтовой чувствительности была выведена исходя из следующего условия - сопротивление передачи рельсовой линии при наложении шунта при наихудших условиях должно увеличиться до такого значения, которое обеспечивает уменьшение напряжения на путевом приемнике до величины надежного несрабатывания.

До наложения шунта сопротивление передачи рельсовой цепи определяется по схеме замещения РЦ в нормальном режиме при условиях, наихудших для шунтового режима (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Схема замещения в нормальном режиме при условиях, наихудших для шунтового режима

Индексы "0" для переменных этой схемы означают, что соответствующие переменные определяются при удельной проводимости изоляции рельсовой линии (удельное сопротивление изоляции ).

После наложения шунта в произвольной точке рельсовой линии схема замещения принимает вид, показанный на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Схема замещения РЦ в шунтовом режиме

В этой схеме параметр p является относительной координатой точки наложения шунта и определяется по формуле



,

где xш - расстояние от конца рельсовой линии до точки наложения шунта;

- длина РЦ.

Видно, что параметр p изменяется от 0 (при наложении шунта на релейном конце рельсовой линии) до 1.

Составив выражения для сопротивлений передачи в первом и втором случаях и решив их относительно переменной Rш можно получить расчетное уравнение шунтовой чувствительности рельсовой цепи с одноэлементным приемником при наложении шунта в произвольной точке рельсовой линии

, (3.13)

где - эквивалентное сопротивление рельсовой цепи относительно точек наложения шунта. Его величина определяется, как сопротивление параллельно включенных и (входное сопротивление в сторону питающего конца и входное сопротивление в сторону релейного конца РЦ относительно точек наложения шунта) (см. рис. 4)

;

Z- сопротивление рельсов, Z =z·?;

Zпоо - сопротивление передачи основной схемы замещения в нормальном режиме при ;

- приведенный коэффициент надежного возврата приемника, учитывающий все внешние факторы, которые принимаются при расчетах для повышения достоверности выполнения режимов работы РЦ

,

- коэффициент возврата путевого приемника. При импульсном питании рельсовой цепи =1;

д - аргумент комплексного сопротивления .

Если Rш?0,06 Ом, рельсовая цепь удовлетворяет требованиям к шунтовому режиму.

Анализ формулы (3.13) позволяет сделать следующие выводы:

Величина шунтовой чувствительности зависит от модуля и аргумента эквивалентного сопротивления и, следовательно, зависит не только от параметров аппаратуры РЦ и параметров рельсовой линии, но и от точки наложения шунта.

При увеличении сопротивлений по концам рельсовой линии шунтовая чувствительность увеличивается.

Шунтовая чувствительность снижается при увеличении коэффициента перегрузки путевого приемника . Наиболее существенное влияние при этом оказывает диапазон изменения сопротивления изоляции РЛ.

Реальный путь повышения шунтовой чувствительности в традиционных РЦ - повышение приведенного коэффициента надежного возврата путевого приемника (повышение коэффициента возврата за счет совершенствования путевых реле или разработки электронных путевых приемников, импульсное питание РЦ, стабилизация напряжения питания).

Формула (3.13) является удобной для анализа работы РЦ в шунтовом режиме, но сложной для проведения расчетов. Поэтому чаще пользуются косвенным методом расчета шунтовой чувствительности РЦ.

б) Косвенный метод расчета шунтового режима.

При косвенном методе расчета определяют коэффициент шунтовой чувствительности (коэффициент чувствительности к нормативному шунту) . В зависимости от имеющихся данных можно воспользоваться одной из зависимостей (3.4) или формулой, вытекающей из (3.4),

,

где - минимальное сопротивление передачи основной схемы замещения в шунтовом режиме (при наложении нормативного шунта в наихудшей точке);

- сопротивление передачи основной схемы замещения в нормальном режиме при .

Если условие выполняется, данная рельсовая цепь соответствует требованиям к РЦ в шунтовом режиме.

Для определения ординаты наихудшей точки (точки, при наложении шунта в которой шунтовая чувствительность является минимальной) необходимо воспользоваться данными, полученными в результате анализа шунтового режима РЦ (см. п. 7).

Расчет контрольного режима.

Задача расчета контрольного режима заключается в проверке условия выполнения контрольного режима по критерию чувствительности к повреждению рельса.

Основные исходные данные для расчета:

напряжение питания РЦ, полученное при расчете нормального режима;

параметры аппаратуры и рельсовой линии;

частота сигнального тока;

коэффициент возврата путевого приемника;

напряжение срабатывания (для РЦ с импульсным питанием) или напряжение отпускания (для РЦ с непрерывным питанием) путевого реле;

постоянная (коэффициент) земляного тракта Е;

коэффициент поверхностной утечки (проводимости) m.

Коэффициент чувствительности к повреждению рельса аналогично шунтовому режиму может быть определен по зависимостям (3.6) или по формуле

,

где - минимальное сопротивление передачи основной схемы замещения в контрольном режиме (при изломе рельса в наихудшей точке).

При расчете контрольного режима наиболее сложным является определение коэффициентов четырехполюсников рельсовой линии, которые вычисляются в соответствии с выбранной схемой замещения РЛ в этом режиме. Очевидно, что схема замещения должна быть достаточно простой для использования в инженерных расчетах, но, с другой стороны, должна достаточно точно отражать реальную работу РЦ в этом режиме.

В контрольном режиме необходимо учитывать не только утечки тока между рельсами по шпалам, балласту и земле, но и утечки по балласту в обход места излома рельса, а также утечки в обход места излома по полуобмоткам дроссель-трансформаторов смежных РЦ и земле. В соответствии с этим считают, что каждый рельс имеет свои обратные токи утечки. Поэтому в контрольном режиме схема замещения рассматривается в виде двух контуров "рельс-земля", связанных между собой индуктивно.

Это привело к получению громоздких формул для определения коэффициентов рельсового четырехполюсника в контрольном режиме. Причём вид этих формул зависит от координаты места излома рельса. Для инженерных расчётов используются упрощенные формулы для случая излома рельса в середине рельсовой линии.

Значения коэффициентов Aкп, Вкп, Cкп и Dкпв указанных формулах зависят не только от сопротивления рельсов, сопротивления изоляции рельсовой линии и её длины, но и от таких параметров, как постоянная земляного тракта Е и коэффициент поверхностной утечки m, а также зависят от наличия или отсутствия дроссель-трансформаторов на релейном и питающем концах рельсовой линии.

Постоянная земляного тракта Е - это коэффициент, учитывающий взаимную индукцию между рельсами и зависящий от частоты сигнального тока. Коэффициент поверхностной утечки m учитывает соотношение проводимости между двумя рельсами и проводимости между рельсом и землей; его величина определяется типом шпал и материалом балласта.

Выполнение условия свидетельствует о соответствии РЦ требованиям контрольного режима.

Указанные расчеты должны проводиться для наихудшей точки излома рельса и при критическом значении сопротивления балласта (см. п. 7).

Расчёт режима АЛС.

Задача расчёта:

а) Для кодовых РЦ - определить величину тока в рельсах в конце рельсовой линии при нахождении там шунта при заданном напряжении питания РЦ и наихудших условиях. При необходимости рассчитать требуемое напряжение питания РЦ по условию выполнения режима АЛС и величину ограничивающего сопротивления на релейном конце.

б) Для кодируемых РЦ (не кодовые рельсовые цепи с наложением сигналов АЛС) - провести расчёт источника питания кодового тока АЛС.

Исходные данные:

Величина нормативного тока АЛС.

Принципиальная схема и параметры элементов рельсовой цепи.

Удельное сопротивление рельсов, минимальное удельное сопротивление балласта и длина рельсовой линии.

Величина напряжения питания рельсовой цепи (для задачи по п. а).

а) В кодовой рельсовой цепи источник питания является общим для контроля её состояния и для передачи информации на локомотив. Поэтому для решения первой задачи необходимо проверить, обеспечит ли источник питания, рассчитанный по условию нормального режима, необходимый ток АЛС.

Схема замещения для режима АЛС представлена на рис. 5.

При расчетах РЦ в режиме АЛС определяют модуль тока в конце рельсовой линии

,

где - напряжение питания РЦ, рассчитанное в нормальном режиме, при минимальном напряжении сети;

Zпл - сопротивление передачи в режиме АЛС при сопротивлении шунта Rш=0,06 Ом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Схема замещения рельсовой цепи в режиме АЛС



Входное сопротивление , поэтому им можно пренебречь. Тогда Кткл=1 и формула (3.9) с учетом (3.8) примет вид

.

Если , то необходимо увеличить напряжение питания РЦ в раз.

Для устранения перегрузки путевого приемника, которая может при этом возникнуть, необходимо увеличить дополнительное сопротивление на релейном конце.

После этого потребуется заново проверить выполнение шунтового и контрольного режимов, поэтому расчет режима АЛС рекомендуется проводить после расчета нормального режима.

Иногда критерий для оценки режима АЛС удобнее определять по соотношению

где -модуль напряжения питания РЦ, обеспечивающего нормативный ток АЛС в конце РЛ при наложении нормативного шунта при условиях, наихудших для режима АЛС.

Для выполнения режима АЛС должно соблюдаться условие .

б) Для некодовых рельсовых цепей (РЦ наложения) проводится расчёт источника питания для режима АЛС независимо от других режимов работы. При этом используется схема замещения рельсовой цепи в режиме АЛС (см. рис. 5).

При расчете РЦ с фазочувствительными приемниками используются рассмотренные выше критерии и методы, но с учетом того, что вращающий момент, действующий на сектор путевого реле, зависит не только от амплитуды сигнала, но и от фазовых соотношений напряжений местной и путевой обмоток. Приведенные выше формулы справедливы для фазочувствительных РЦ при обеспечении идеальных фазовых соотношений. В реальных условиях фаза напряжения на путевой обмотке отличается от идеальной из-за разброса параметров элементов РЦ и изменения параметров рельсовой линии при изменении погодных условий и дискретных воздействиях (наложение шунта или излом рельса). Отклонение фазы от идеальной ухудшает условия выполнения нормального режима и благоприятствует шунтовому и контрольному режимам. Поэтому необходимо принимать

; ; ;

; .

где , и - угол отклонения от идеальных фазовых соотношений (угол расстройки реле) соответственно в нормальном, шунтовом и контрольном режимах.

6. Понятие о синтезе рельсовых цепей

Задача синтеза заключается в разработке РЦ максимально возможной длины, обеспечивающей выполнение заданных режимов работы при заданных условиях эксплуатации. В зависимости от области применения и особенностей решаемых задач такими условиями могут быть, например, минимальное удельное сопротивление балласта (в традиционных РЦ принималось 1 Ом•км, в перспективных РЦ принимаются значения в десятые и сотые доли Ом•км), частота сигнального тока. Иногда могут предъявляться и другие требования к рельсовой цепи: отсутствие изолирующих стыков, высокое быстродействие, высокая шунтовая чувствительность и др.

Синтез рельсовых цепей проводится в три этапа:

Определение максимально возможной длины РЦ.

Выбор сопротивлений основных обмоток дроссель-трансформаторов на питающем и релейном концах и их коэффициентов трансформации.

Выбор необходимых элементов, обеспечивающих нормальное функционирование рельсовой цепи, её экономичность и надёжность, а также защиту от влияния помех.

Длина рельсовой цепи имеет предел в связи с тем, что требования к сопротивлениям по ее концам по условиям выполнения шунтового и контрольного режимов являются противоположными. С точки зрения шунтовой чувствительности для получения большой длины РЦ эти сопротивления необходимо увеличивать, для улучшения контрольного режима - уменьшать. Графическая иллюстрация этого положения представлена на рис. 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Зависимость входных сопротивлений по концам РЛ от ее длины



На рис. 6 для случая равенства входных сопротивлений по концам РЦ показаны примерные графики зависимостей по условию выполнения шунтового режима Кш=1 (кривая 1) и по условию выполнения контрольного режима Ккп=1 (кривая 2). Шунтовой режим выполняется при всех значениях выше кривой 1, контрольный - ниже кривой 2.

Видно, что при относительно малой длине РЦ существуют значения входных сопротивлений по концам РЛ, удовлетворяющие обоим режимам. При ?>?maxэто условие нарушается. Очевидно, что точка пересечения кривых 1 и 2 соответствует максимально возможной длине РЦ при заданных условиях и некотором оптимальном значении входных сопротивлений по концам РЛ опт.

Рассмотренная задача решается графоаналитическим методом или численными методами последовательных приближений.

Для кодовой РЦ с частотой сигнального тока 50 Гц при сопротивлении изоляции rиmin=1 Ом·км было получено ?max=3000 м и опт=0,27 Ом. В реальных РЦ параметры аппаратуры выбраны таким образом, что входные сопротивления по концам РЛ несколько отличаются от оптимального значения. Кроме того, из-за заземления различных металлических конструкций на одну из рельсовых нитей сопротивление изоляции РЛ оказывается ниже нормативного. Поэтому для кодовых РЦ принято?max=2600 м.

При реализации второго этапа синтеза необходимо учесть следующие факторы:

Величина сопротивления основной обмотки ДТ должна обеспечивать входные сопротивления по концам РЛ равными или близкими к оптимальным с учетом сопротивления аппаратуры и коэффициента трансформации ДТ.

При уменьшении сопротивления основной обмотки ДТ увеличивается мощность, потребляемая рельсовой цепью, так как эта обмотка включена параллельно нагрузке.

Увеличение сопротивления основной обмотки ДТ приводит к увеличению массы и габаритов дроссель-трансформатора, т.е. к увеличению его стоимости.

Исходя из этого, например, в кодовой РЦ с частотой сигнального тока 50 Гц на питающем конце применяются дроссель-трансформаторы типа ДТ-06 (сопротивление основной обмотки току 50 Гц равно 0,63 Ом).

При выборе ДТ на релейном конце дополнительно было учтено, что из-за необходимости обеспечения режима АЛС имеется значительный избыток мощности, который должен быть погашен на релейном конце РЛ. Поэтому на релейном конце применяется ДТ-0,2 с сопротивлением основной обмотки 0,21 Ом.

Коэффициент трансформации ДТ на питающем конце выбирается исходя из следующих соображений:

для уменьшения индуктивностей и емкостей элементов питающего конца РЦ, что целесообразно с точки зрения экономичности и надежности, необходимо выбирать как можно больший коэффициент трансформации;

для обеспечения безопасности обслуживающего персонала, напряжение на любом элементе РЦ должно быть не больше 250 В, т.е. величина коэффициента трансформации ограничивается этим условием.

На основании этого коэффициент трансформации ДТ питающего конца выбран равным 15.

При выборе коэффициента трансформации релейного ДТ принимают во внимание, что напряжение питания РЦ, принятое по условию выполнения режима АЛС, превышает напряжение, необходимое по условию выполнения нормального режима. Поэтому ДТ должен обеспечить на путевом приемнике требуемое рабочее напряжение. В кодовой РЦ с частотой 50 Гц коэффициент трансформации релейного ДТ равен 23. Необходимо отметить, что при этом входное сопротивление релейного конца РЦ оказалось ниже оптимального.

Параметры элементов на третьем этапе синтеза выбирают таким образом, чтобы обеспечить входные сопротивления по концам близкими к оптимальным, повысить КПД рельсовой цепи за счет компенсации реактивной составляющей нагрузки.

В конечном итоге в кодовой РЦ с частотой сигнального тока 50 Гц входные сопротивления по концам РЛ имеют значения, .

7. Анализ рельсовых цепей

Как уже отмечалось, целью анализа является исследование влияния различных факторов на характеристики РЦ и её работу. Такими факторами в зависимости от задач исследования могут быть внешние (температура окружающей среды, помехи, место наложения шунта или излома рельса) и внутренние (длина РЦ, параметры элементов и характеристики рельсовой линии, характеристики путевого приёмника и т. д.).

Результаты анализа используются при разработке рекомендаций по настройке и эксплуатации рельсовых цепей, при совершенствовании или разработке новых РЦ, для получения данных, необходимых при расчёте.

К наиболее важным задачам анализа относятся следующие задачи:

1. В нормальном режиме:

исследование зависимости напряжения в начале рельсовой линии и на приёмнике от параметров рельсовой линии и её длины;

исследование коэффициента полезного действия РЦ.

2. В шунтовом режиме:

анализ характера изменения шунтовой чувствительности вдоль рельсовой линии;

определение точки с минимальной шунтовой чувствительностью;

исследование зависимости шунтовой чувствительности от параметров аппаратуры и путевого приёмника, длины рельсовой линии и её характеристик.

3. В контрольном режиме - определение критической точки излома рельса и критического сопротивления изоляции.

Исследования коэффициента полезного действия РЦ позволили выбрать рекомендации по его повышению при разработке и эксплуатации РЦ. Для этого необходимо:

Обеспечить равенство модуля входного сопротивления аппаратуры конца РЛ модулю волнового сопротивления рельсовой линии, а также обеспечить условие.

Уменьшить собственное затухание рельсовой линии.

Компенсировать реактивную составляющую рельсовой линии и нагрузки.

Анализ шунтовой чувствительности показал, что её величина зависит от точки наложения шунта, а характер этой зависимости определяется соотношением параметров рельсовой линии и сопротивлений на концах. При этом точка с минимальной шунтовой чувствительностью может находиться в середине рельсовой линии, по её концам или в промежуточных точках.

В результате теоретических исследований характера изменения шунтовой чувствительности вдоль рельсовой линии было выявлено следующее. Если аргументы входных сопротивлений по концам РЛ положительные ( и ), то при равенстве модулей входных сопротивлений наихудшие точки находятся на концах РЛ, то есть p1=0, p2=1 (рис. 7, кривая 1) или на том конце РЛ, где модуль входного сопротивления меньше (см. рис. 7, кривая 2; p=0). В противном случае, шунтовая чувствительность будет минимальной при наложении шунта в каких-то промежуточных точках 0<p<1 (кривая 3).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Зависимость шунтовой чувствительности от точки наложения шунта

Точки минимальной шунтовой чувствительности отмечены на примерных кривых 1, 2 и 3 (см. рис. 7).

Ордината точки с наихудшей шунтовой чувствительностью может быть определена путем исследования на максимум функции или на минимум - функции или .

С точки зрения удобства проверки шунтовой чувствительности РЦ в эксплуатации представляется целесообразным иметь рельсовые цепи с минимальной шунтовой чувствительностью по концам РЛ.

Анализ РЦ в контрольном режиме проводится путем исследования функции с учетом особенностей схемы замещения РЛ в контрольном режиме (см. п. 3.5). Результаты анализа показали, чтопри различных значениях удельного сопротивления изоляции РЛ зависимости не имеют ярко выраженных экстремумов, которые находится вблизи середины рельсовой линии. Поэтому с достаточной степенью точности считают, что координата критической точки излома pкр=0,5.

При некоторых допущениях критическое сопротивление изоляции можно определять по формуле



,

где - обобщенный параметр, введенный для упрощения формулы; численные значения этого параметра были определены путем исследования на минимум функции для pкр=0,5 (табл. 3).

Таблица 3. Значения обобщенного параметра

f, Гц	25	50	75	125	175	225
	1,13	1,35	1,75	2,1	2,25	2,35

Контрольные вопросы и задания

1. Вспомните требования к состоянию путевого приемника в нормальном, шунтовом и контрольном режимах.

2. По каким причинам эти требования могут быть нарушены (для каждого из указанных режимов).

3. Почему в качестве нормативной шунтовой чувствительности РЦ принята величина 0,06 Ом?

4. Наступит ли шунтовой режим у рельсовой цепи, шунтовая чувствительность которой ниже нормативной?

5. Путем рассуждений определите наихудшие условия для контрольного режима РЦ. Сравните полученный результат с данными табл. 1.

6. Укажите все причины, по которым рельсовая линия обладает большим сопротивлением передачи.

7. Почему деревянные шпалы являются токопроводящими?

8. Какова цель расчета рельсовой цепи?

9. Почему при расчете нормального режима необходимо учитывать колебания напряжения сети?

10. Перечислите все факторы, из-за которых возникает перегрузка путевого приемника?

11. Почему при расчете шунтового режима кодовой РЦ задаются напряжением срабатывания путевого реле, а не на напряжением отпускания?

12. Зависит ли величина шунтовой чувствительности кодовой РЦ от места наложения шунта на рельсовой линии? А фазочувствительной РЦ? Дать пояснения.

13. Перечислите возможные пути повышения шунтовой чувствительности рельсовых цепей.

14. Что собой представляет схема замещения рельсовой линии в нормальном режиме? Чем отличается схема замещения в шунтовом режиме?

15. Что понимают под критическим сопротивлением балласта при расчете контрольного режима?

16. Почему при расчетах РЦ в режиме АЛС не принимают во внимание входное сопротивление четырехполюсника К?

17. В чем заключаются особенности расчета фазочувствительных РЦ и чем они вызваны?

18. Какие задачи решаются при синтезе рельсовых цепей?

19. Почему предельная длина эксплуатируемых рельсовых цепей меньше длины, полученной в результате синтеза?

20. Какие задачи решаются при анализе рельсовых цепей?

21. Какие мероприятия позволяют повысить коэффициент полезного действия РЦ?

23. Где находится критическая точка излома РЦ?



Библиографический список

рельсовый цепь путевой приемник

1. Котляренко Н.Ф. и др. Путевая блокировка и авторегулировка. - М.: Транспорт, 1983.

2. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики / Под ред. Ю.А. Кравцова. - М.: Транспорт, 1996.

3. Кокурин И.М., Кондратенко Л.Ф. Эксплуатационные основы устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. - М.: Транспорт, 1989.

4. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Дискретные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. - М.: Транспорт, 1988.

5. Лисенков В.М. Теория автоматических систем интервального регулирования. - М.: Транспорт, 1987.

6. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Талалаев В.И. и др. Сертификация и доказательство безопасности систем железнодорожной автоматики. - М.: Транспорт, 1997.

7. Аркатов В.С. и др. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. - М.: Транспорт, 1990.

8. Казаков А.А. и др. Системы интервального регулирования движения поездов. - М.: транспорт, 1986.

9. Казаков А.А. и др. Автоблокировка, локомотивная сигнализация и автостопы. - М.: Транспорт,

10. Бубнов В.Д., Дмитриев В.С. Устройства СЦБ, их монтаж и обслуживание: Полуавтоматическая и автоматическая блокировка. - М.: Транспорт, 1989.

11. Сороко В.И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник: в 2 кн. Кн. 1. - М.: НПФ "Планета", 2000.

12. Сороко В.И., Розенберг Е.Н. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник: в 2 кн. Кн. 2. - М.: НПФ "Планета", 2000.

13. Дмитриев В.С., Минин В.А. Системы автоблокировки с рельсовыми цепями тональной частоты. - М.: Транспорт, 1992.

14. Дмитриев В.С., Минин В.А. Совершенствование систем автоблокировки. - М.: Транспорт, 1987.

15. Федоров Н.Е. Современные системы автоблокировки с тональными рельсовыми цепями. - Самара: СамГАПС, 2004.

16. Брылеев А.М. и др. Автоматическая локомотивная сигнализация и авторегулировка. - М.: Транспорт, 1981.

17. Леонов А.А. Техническое обслуживание автоматической локомотивной сигнализации. - М.: Транспорт, 1982.

18. Леушин В.Б. Ограждающие устройства на железнодорожных переездах: Конспект лекций. - Самара: СамГАПС, 2004.

19. Автоблокировка с рельсовыми цепями тональной частоты без изолирующих стыков для двухпутных участков при всех видах тяги (АБТ-2-91): Методические указания по проектированию устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте И-206-91. - Л.: Гипротранссигналсвязь, 1992.

20. Автоблокировка с рельсовыми цепями тональной частоты без изолирующих стыков для однопутных участков при всех видах тяги (АБТ-1-93): Методические указания по проектированию устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте И-223-93. - Л.: Гипротранссигналсвязь, 1993.

21. Автоблокировка с тональными рельсовыми цепями и централизованным размещением оборудования (АБТЦ-2000): Типовые материалы для проектирования 410003-ТМП. - С-Пб.: Гипротранссигналсвязь, 2000.

Размещено на Allbest.ru

...