Аппаратура рельсовых цепей

Одноэлементные путевые приемники имеют только один вход, на который поступает сигнал из РЦ. Такой приемник реагирует только на амплитуду или на амплитуду и частоту принимаемого сигнала (при наличии электрического фильтра в приемнике).

Двухэлементные путевые приемники имеют два входа. На один из них поступает сигнал из рельсовой цепи (путевой элемент), на другой-от местного источника (местный элемент).

В двухэлементных фазочувствительных приемниках (реле типа ДСШ) между сигналами, подаваемыми на путевой и местный элементы, должны быть определенные фазовые соотношения (сдвиг фаз между токами путевого и местного элементов 90°). Такой приемник реагирует на амплитуду, частоту и фазу сигнала, принимаемого из РЦ. При напряжении ниже напряжения отпускания или отклонении фазы на некоторый угол путевой приемник фиксирует занятость или неисправность РЦ.

В двухэлементных гетеродинных приемниках сигнал, принимаемый из РЦ, и сигнал, поступающий от местного генератора (гетеродина), отличаются один от другого по частоте (обычно разностная частота составляет несколько герц). Например, из РЦ поступает сигнал 75 Гц, а от местного генератора-83 Гц (этот генератор используют одновременно для питания смежной рельсовой цепи). Наличие разностной частоты 8 Гц является условием возбуждения путевого приемника; приемник фиксирует занятость или неисправность рельсовой цепи при уменьшении амплитуды сигнала РЦ ниже порога срабатывания или отклонении частоты более нормированного допуска (±1 Гц).

По способу пропускания обратного тягового тока рельсовые цепи подразделяются на однониточные и двухниточные. В однониточных РЦ (рис. 3, а) тяговый ток пропускается по одной рельсовой нити. Однониточные рельсовые цепи просты по устройству, однако обладают рядом недостатков: они неприемлемы при наложении АЛС вследствие сильного влияния помех при пропуске тягового тока по одной рельсовой нити; тяговые нити смежных путей объединяются медными тросами в нескольких точках, что ухудшает условия шунтового и особенно контрольного режима (режима повреждения рельса). Поэтому однониточные РЦ применяют только на некодируемых путях станций при длине рельсовой цепи до 650 м и условии обеспечения пропуска тягового тока не менее чем по шести параллельным рельсовым нитям на двухпутных линиях и по трем - на однопутных.

Рисунок 3. Схемы пропуска тягового тока в однониточной и двухниточной рельсовых цепях

В остальных случаях на станциях, а также в пределах перегонов применяют двухниточные РЦ (рис. 3, б), в которых тяговый ток пропускается по обеим рельсовым нитям, а для пропуска обратного тока в обход изолирующих стыков для создания непрерывности цепи тяговому току используют дроссель-трансформаторы. Симметричное распределение тягового тока по обеим рельсовым нитям создает хорошие условия для действия АЛС, так как напряжения помех, наводимые в каждой из катушек, взаимно компенсируются. Помехи компенсируются и на обмотке дроссель-трансформатора, так как через каждую его полуобмотку будут протекать равные, но противоположно направленные токи помех.

Поэтому условия защиты аппаратуры от воздействия тягового тока в двухниточных РЦ лучше, чем в однониточных.

По месту применения рельсовые цепи подразделяются на неразветвленные и разветвленные. Последние применяют при изоляции стрелочных участков станций. Разветвленные РЦ могут иметь несколько путевых приемников (путевых реле) для контроля свободности и исправности ответвлений. В схему контроля последовательно включают фронтовые контакты всех путевых реле разветвленной цепи.

4. Основные элементы рельсовых линий

Рельсовая цепь состоит из рельсовой линии и подключаемой к ней аппаратуры передающего (питающего) и приемного (релейного) концов.

Рельсовая линия является основной частью всякой РЦ, по которой передаются сигналы от передатчика (источника питания) к приемнику (путевое реле). Составными частями рельсовой линии являются рельсовые нити пути, стыковые соединители, изолирующие стыки, кабельные стойки и дроссель-трансформаторы. Последние устанавливают на участках с электрической тягой для обеспечения протекания тягового тока в обход изолирующих стыков.

Для лучшей передачи сигналов рельсовые нити, используемые в качестве проводов рельсовой линии, должны обладать по возможности малым электрическим сопротивлением. Рельсовые нити в стыках рельсов соединены накладками. Если внутренняя поверхность накладок или рельсов покроется ржавчиной, то стык будет иметь повышенное сопротивление. На сопротивление стыка влияет также степень затяжки болтов и ряд других факторов. Поэтому сопротивление стыка может меняться в широких пределах (от тысячных долей до единиц ома). Для обеспечения устойчивой работы рельсовых цепей на стыках рельсов устанавливают стальные или медные рельсовые стыковые соединители, стабилизирующие сопротивление стыка. В зависимости от способа присоединения к рельсам они подразделяются на штепсельные и приварные.

Стальной штепсельный рельсовый стыковой соединитель (рис. 1. а) состоит из двух стальных проволок диаметром 5 мм, заваренных по концам в штепселя конической формы. Длина соединителя в развернутом виде 1276 мм. Концы проволок загнуты спиралью для удобства установки и с целью исключения их повреждения при угонах рельсов и вибрациях, вызванных прохождением подвижного состава.

Для установки соединителей в шейке рельсов по обе стороны накладок высверливают отверстия диаметром 9,8 мм, в которые забивают штепселя. Расстояние между отверстиями равно 940 мм. Штепсель соединителя считается правильно забитым, если он ушел в рельс приблизительно на половину конусной части. В дальнейшем, в процессе эксплуатации, при ослаблении штепселя подбивают, используя оставшуюся свободной конусную часть. Штепсельный соединитель укрепляют держателями (клипсами), чтобы он не повредился колесами подвижного состава. Масса соединителя с двумя держателями 450 г. Штепсельные соединители применяют только на неэлектрифицированных линиях. При новом проектировании и строительстве устройств автоматики эти соединители не применяются.

Рисунок 1. Схемы стального штепсельного и приварного соединителей

Стальной приварной рельсовый соединитель (рис. 1, б) состоит из куска стального троса диаметром 6 мм, заваренного по концам в стальные наконечники (манжеты). Длина соединителя в выпрямленном состоянии 200 мм, масса 36 г. К головкам рельсов соединитель приваривают электро- или газосваркой. Стальные приварные соединители устанавливают на участках без электротяги.

На электрифицированных участках применяют приварные медные рельсовые соединители (рис. 1, в). Такие соединители предназначены для уменьшения сопротивления не только сигнальному, но и тяговому току. Соединитель представляет собой гибкий медный трос длиной 200 мм, заваренный по концам в стальные наконечники (манжеты). На участках с электротягой постоянного тока применяют соединители с площадью поперечного сечения 70 мм ², а при электротяге переменного тока - 50 мм ². Соединитель приваривают к головке рельса плоской стороной манжеты на расстоянии 15 мм от поверхности катания электро- или газосваркой.

Ранее вместо стыковых соединителей на ряде участков дорог применяли графитовую смазку стыковых накладок и торцовых поверхностей рельсов. Однако опыт эксплуатации показал, что стыковые соединители обеспечивают более высокую надежность работы рельсовых цепей. Графитовую смазку используют на некоторых линиях лишь как дополнительное средство уменьшения сопротивления в стыках рельсов, а также в процессе укладки рельсовых плетей временно до приварки соединителей. Сопротивление одного стыка с приварным медным соединителем в соответствии с действующими техническими требованиями должно быть не более сопротивления целого рельса длиной 3 м.

Число стыковых соединителей в рельсовой линии зависит от ее длины и типа рельсов. При длине рельсов 12,5 м на 1 км рельсовой линии необходимо примерно 160 соединителей, а при длине рельсов 25 м - примерно 80. На участках бесстыкового пути обеспечиваются наиболее благоприятные условия для протекания сигнального тока, так как на них число стыковых соединителей минимально, их устанавливают лишь в местах соединения цельносварных рельсовых нитей длиной 800 м со звеньями из коротких рельсов, предназначенными для компенсации температурного продольного расширения.

Как показывает опыт эксплуатации, рельсовые стыковые соединители обладают недостаточной надежностью. Основным недостатком штепсельных соединителей является нестабильное переходное сопротивление в контактной паре штепсель - рельс. Это сопротивление зависит как от состояния контактирующих поверхностей штепселя и отверстия в рельсе, так и от плотности контакта.

Отказы в работе стальных соединителей приварного типа обусловлены в основном тем, что они отрываются в местах приварки от рельсов вследствие недостатков в технологии приварки и ненадежного контакта между тросом и наконечником.

Разработаны и находятся на стадии эксплуатационных испытаний рельсовые стыковые соединители фартучного и втулочного типов, обладающие более высокой надежностью действия. Испытываются также пружинные тарельчатые шайбы, предназначенные взамен стыковых соединителей. Их устанавливают взамен обычных шайб при скреплении рельсов накладками.

Стрелочные соединители устанавливают в станционных разветвленных рельсовых цепях для соединения наружных рельсов стрелочного перевода, рельсов у усовиков крестовины, крестовин с рельсами, примыкающими к усовикам, и рельсов в пятке остряков. При автономной тяге устанавливают стрелочные гибкие соединители из оцинкованного троса, заваренного по концам в штепселя.

Применяются три типа стрелочных штепсельных соединителей: тип I длиной 600 м, II-1200 мм и III-3300 мм. Штепселя соединителей типов I и II такие же, как и штепселя рельсовых стыковых соединителей. Штепсель соединителя типа III имеет резьбу для крепления в шейке рельса гайками.

На станциях линий с электротягой применяют стрелочные соединители из медного провода с площадью поперечного сечения 70 мм ² при электротяге постоянного тока или 50 мм ² при электротяге переменного тока, заваренные по концам в стальные конические болты для крепления в шейке рельса гайками. В зависимости от места присоединения используются соединители различной длины. Кроме стрелочных, на станциях с электротягой в однониточных рельсовых цепях устанавливают тяговые соединители для соединения между собой тяговых нитей одного пути (косые перемычки) и соединения рельсовых нитей разных путей при их объединении для равномерного распределения тягового тока.

Изолирующие стыки устанавливают для электрического разделения смежных РЦ; их изготовляют с металлическими накладками и изолирующими прокладками (рис. 2, а). Изолирующий стык состоит из двух металлических накладок фасонной формы 1 и 4, стянутых болтами 5. Болты изолированы от рельса изолирующими втулками 6. Между накладками и рельсами установлены изолирующие прокладки 2 и 3, а между торцами смежных рельсов - стыковая изолирующая прокладка. Изолирующий стык крепят навесу без сдвоенных шпал также, как и обычный неизолирующий стык.

Рисунок 2. Схема изолирующего стыка

На участках бесстыкового пути устраивают высокопрочный стык (рис. 2, б) с пазухами между накладками 1, 3 и рельсом, заполненными изолирующей композицией 2. При помощи болтов 4 обеспечивается необходимое сжатие склеиваемых поверхностей на период отвердения клеевого шва.

В станционных рельсовых цепях с рельсами типа Р 43 делают изолирующие стыки с лигнофолевыми прокладками, которые монтируют на сдвоенных шпалах, а на участках вновь оборудуемых рельсовых цепей - только с металлическими накладками.

Под воздействием проходящих поездов изолирующие стыки испытывают большую механическую нагрузку и поэтому часто повреждаются. Все более широкое распространение находят клееболтовые изолирующие стыки, обладающие более высокой прочностью и надежностью работы в условиях эксплуатации.

Кабельные стойки (рис. 3, а) применяют, как правило, на участках без электротяги по концам рельсовых цепей. Кабельные стойки служат для соединения проводников (стальных тросов), идущих от рельсов, с жилами кабеля, проложенного от релейного шкафа автоблокировки.

Рисунок 3. Кабельная стойка

Кабельная стойка состоит из чугунной головки 1, соединенной со стальной трубой 2. Кабель заводят внутрь трубы и разделывают в головке. Жилы кабеля подсоединяют к зажимам фарфоровой колодки. Для подсоединения стальных тросов от рельсов на стенке кабельной стойки укрепляют два болта, изолированные от стенок фибровыми втулками 3 (рис. 3, б). Болты с зажимами фарфоровой колодки соединяются внутри кабельной стойки проводниками.

Путевые дроссель - трансформаторы предназначены для пропуска обратного тягового тока в обход изолирующих стыков и согласования низкоомного входного сопротивления рельсовой цепи с аппаратурой питающего и релейного концов. Использование дроссель-трансформаторов с большим коэффициентом трансформации позволяет размещать аппаратуру на расстоянии до 10 км от пути.

На линиях с электрической тягой постоянного тока устанавливают путевые дроссель-трансформаторы ДТ-0,2-1000; ДТ-0,6-1000; ДТ-0,2-500 и ДТ-0,6-500. Их можно применять и на линиях с электротягой переменного тока. Первые цифры в обозначении дроссель-трансформатора указывают его полное сопротивление переменному сигнальному току частотой 50 Гц (0,2 и 0,6), вторые-значение номинального тягового тока, на пропускание которого рассчитана основная обмотка (500 и 1000 А на каждый рельс).

Основная обмотка дроссель-трансформатора выполнена из медной шины большого сечения и имеет малое сопротивление постоянному тяговому току (от 0,0008 до 0,0024 Ом в зависимости от типа дроссель-трансформатора).

Основными деталями дроссель-трансформаторов ДТ-0,2 и ДТ-0,6 (рис. 5) являются чугунный корпус 6 с муфтой 1, сердечник 3 и ярмо 4, собранные из листовой электротехнической стали; основная обмотка с выводами 5; дополнительная обмотка с выводами 2. Между сердечником и ярмом имеется воздушный зазор 1-3 мм, наличие которого обеспечивает стабильность сопротивления дроссель-трансформатора переменному сигнальному току при подмагничивании его неуравновешенным тяговым током.

Рисунок 5. Конструкция дроссель-трансформатора

Кривая зависимости сопротивления дроссель-трансформатора ДТ-0,6 от силы тягового тока показана на рис. 6. При токе асимметрии 240 А сопротивление основной обмотки снижается не более чем на 10 %.

Рисунок 6. Зависимость полного сопротивления ДТ-0,6 и ДТ-1-150 от тягового тока

Аппаратуру рельсовых цепей подключают к дополнительной обмотке дроссель-трансформатора кабелем, который соединяют с дополнительной обмоткой в муфте 1 (см. рис. 5), укрепленной на корпусе дроссель-трансформатора.

На участках с электрической тягой переменного тока частотой 50 Гц применяют дроссель-трансформаторы ДТ-1-150 (одиночной установки) и 2ДТ-1-150 (сдвоенной установки), рассчитанные на тяговый ток 150 А в каждой рельсовой нити (общий ток через средний вывод 300 А). Эти дроссель-трансформаторы имеют такую же конструкцию, как ДТ-0,2 и ДТ-0,6, но меньшие размеры и массу. Их основная обмотка выполнена из медной шины меньшего сечения, размеры магнитопровода также уменьшены. Магнитопровод не имеет воздушного зазора, поэтому сопротивление этих дроссель-трансформаторов при воздействии неуравновешенного тягового тока изменяется в широких пределах (см. рис. 6). Полное сопротивление дроссель-трансформатора переменному току частотой 50 Гц при токе 1 А составляет примерно 2 Ом, а при токе 13 А-примерно 1 Ом. На частоте переменного сигнального тока 75 Гц и напряжении 0,5 В полное сопротивление основной обмотки составляет 1,5 Ом, а на частоте сигнального тока 25 Гц и напряжении 0,3 В-0,5 Ом.

Для обеспечения нормальной работы РЦ необходимо, чтобы входное сопротивление дроссель-трансформатора вместе с подключаемой аппаратурой со стороны рельсов было стабильным. Стабилизация сопротивления по концам РЦ с дроссель-трансформатором ДТ-1-150 достигается подключением аппаратуры со стабильными параметрами.

Дроссель-трансформатор сдвоенной установки 2ДТ-1-150 имеет внутри общего кожуха два отдельных магнитопровода с основными и дополнительными обмотками. Средние точки основных обмоток соединены внутри кожуха, поэтому при подключении этих дроссель-трансформаторов не требуется установка средней междроссельной перемычки. Объединенный средний вывод используют для подключения заземлений, отсасывающих фидеров тяговых подстанций, при объединении средних точек соседних путей для выравнивания обратных тяговых токов в двухниточных РЦ, а также для соединения с тяговыми нитями однониточных РЦ на станциях.

Основные обмотки дроссель-трансформаторов ДТ-1-150 и 2ДТ-1-150 (рис. 7) имеют по 16 витков медного провода с площадью поперечного сечения 31,9 мм², дополнительные-48 витков медного провода диаметром 1,95 мм; коэффициент трансформации п=3.

Рисунок 7. Схемы обмоток дроссель-трансформаторов ДТ-1-150 и 2ДТ-1-150

5. Аппаратура рельсовых цепей

Путевые трансформаторные ящики предназначены для установки трансформаторов, реле и резисторов, предохранителей, применяемых в схемах рельсовых цепей. В них разделывают сигнальный кабель и устанавливают перемычки для подключения приборов к рельсам.

Реакторы РОБС-1, РОБС-3 и РОБС-4 (реакторы однофазные, броневые, сухие) применяют в рельсовых цепях переменного тока в качестве ограничителей тока при шунтировании питающего конца рельсовой цепи и обеспечения шунтового эффекта. Резисторы применяют в качестве ограничителей в РЦ постоянного и переменного тока. Регулируемый резистор типа 7156 является проволочным безиндукционным. Его изготовляют из оксидированной константановой проволоки, намотанной на фарфоровые изоляторы. Резистор имеет движок с контактной пружиной; перемещением движка по направляющей планке изменяют сопротивление. Резисторы типа 7157 изготовляют также нерегулируемыми с номинальными сопротивлениями 13; 19,5 и 200 Ом. В РЦ кодовой автоблокировки переменного тока 25 Гц устанавливают резистор типа 21220 сопротивлением 200 Ом и мощностью 150 Вт. Он состоит из двух последовательно соединенных эмалированных резисторов ПЭВ-75 сопротивлением 100 Ом и мощностью 75 Вт каждый. Применяют также проволочные резисторы с различными сопротивлениями, размещенные на двухштырных колодках.

Путевые и релейные трансформаторы ПОБС-2АУЗ, ПОБС-3АУЗ, ПОБС-5АУЗ, ПРТ-АУЗ и ПТ-25АУЗ применяют в РЦ в качестве питающих, изолирующих и релейных (согласующих). Расшифровка обозначений трансформаторов следующая: П - путевой; О - однофазный; Б - броневой; С - сухой, (без трансформаторного масла); Р-релейный; Т-трансформатор; 2,3 и 5- порядковый номер типа; 25- частота тока; А - видоизменение данного типа; У - климатическое исполнение (для районов с умеренным климатом); 3- категория размещения.

6. Режимы работы рельсовых цепей

К рельсовым цепям предъявляют разнообразные требования, обусловленные специфичностью их работы. Выполнение этих требований обеспечивает надежность действия систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте. При этом наибольшее внимание уделяют предотвращению подачи ложной информации о свободности РЦ, поскольку это нарушает условия безопасности движения поездов.

Основные требования к РЦ следующие. При отсутствии подвижного состава на РЦ путевой приемник должен надежно фиксировать ее свободность. При шунтировании в любой точке рельсовой линии хотя бы одной колесной парой, а также при полном изломе рельса должно фиксироваться занятое состояние. В кодовых и кодированных рельсовых цепях с вступлением поезда на входной конец под приемными катушками должен обеспечиваться нормативный ток АЛС, необходимый для действия приемных локомотивных устройств.

В соответствии с этими требованиями различают основные режимы работы РЦ - нормальный, шунтовой, контрольный и режим АЛС. Во всех указанных режимах РЦ должны надежно функционировать во всем диапазоне изменения параметров рельсовой линии, колебания напряжения источников питания, а также в условиях воздействия помех тягового тока и от других источников. РЦ должны исключать опасные положения при замыкании изолирующих стыков, когда путевой приемник получает сигналы из смежной цепи. Следует отметить, что требования к различным режимам большей частью являются противоречивыми, т. е. значения переменных параметров, которые являются благоприятными в одном режиме, в другом оказываются неблагоприятными. Правильно сконструированная и отрегулированная РЦ должна удовлетворять требованиям всех режимов.

Нормальный (регулировочный) режим соответствует свободному состоянию РЦ. В этом режиме путевое реле при непрерывном питании надежно удерживает якорь в притянутом положении, а при импульсном питании надежно срабатывает от каждого импульса при самых неблагоприятных условиях. Неблагоприятными условиями для нормального режима являются те, которые приводят к снижению тока в путевом реле, т. е. минимальное напряжение источника питания, максимальное сопротивление рельсов и минимальное сопротивление изоляции. Если в этих условиях обеспечивается нормальная работа путевого реле, то при всех других условиях (повышение напряжения источника питания, снижение сопротивления рельсов и повышение сопротивления изоляции) она тем более будет обеспечена.

Шунтовой режим соответствует занятости РЦ подвижным составом. В этом режиме путевое реле при непрерывном питании должно надежно отпускать якорь, а при импульсном (кодовом) питании исключаться срабатывание реле от импульсов тока. Поскольку требования шунтового режима противоположны требованиям нормального, то и неблагоприятные условия этого режима также противоположны условиям нормального режима.

Неблагоприятными условиями для шунтового режима являются те, которые приводят к увеличению тока в путевом реле: максимальное напряжение источника питания, минимальное сопротивление рельсов и максимальное сопротивление изоляции, которое для данного режима в расчетах принимается равным бесконечности, т. е. считается, что отсутствует утечка тока через шпалы и балласт. Если шунтовой режим при этих условиях обеспечивается, то при всех других условиях он также будет обеспечиваться.

Надежность работы РЦ в шунтовом режиме характеризуется шунтовой чувствительностью, которая соответствует максимальному значению сопротивления. Включение этого сопротивления между рельсами приводит к отпусканию якоря путевого реле. Шунтовая чувствительность в соответствии с действующими техническими условиями должна быть не менее 0,06 Ом. Ее проверяют наложением на рельсы испытательного нормативного шунта сопротивлением 0,06 Ом, при наложении которого в любой точке рельсовой линии путевое реле должно отпускать якорь (непрерывное питание) или не должно перебрасывать якорь (импульсное питание). Для колесных пар вводят предельное сопротивление, которое должно быть не более 0,06 Ом.

Действительное сопротивление поездного шунта, создаваемого колесными парами подвижного состава, обычно составляет тысячные доли Ома, поэтому шунтирование цепи скатами поезда осуществляется, как правило, с большим запасом по надежности. При наличии ржавчины на поверхности рельсов или колесных пар, обледенения и загрязнения рельсов, особенно при шунтировании легкими подвижными единицами, сопротивление поездного шунта увеличивается. Однако во всех случаях оно не должно превышать 0,06 Ом.

Шунтовая чувствительность цепи зависит от сопротивления по ее концам. Чем выше сопротивление по концам, тем выше ее шунтовая чувствительность при прочих равных условиях, так как более высокое сопротивление легче шунтируется поездным шунтом. Если сопротивления по концам РЦ не равны между собой, то шунтовая чувствительность выше на том конце, на котором выше сопротивление. Таким образом, по условиям обеспечения шунтового режима сопротивления по концам должны выбираться по возможности более высокими.

Контрольный режим, или режим поврежденного рельса, соответствует нарушению целостности рельсовой нити (лопнувший или изъятый рельс) при свободной РЦ. В этом режиме путевое реле не должно срабатывать, т. е. требования этого режима совпадают с требованиями шунтового режима. Поэтому и неблагоприятными условиями для него будут такие, которые приводят к увеличению тока в реле. Очевидно, что этим условиям соответствует максимальное напряжение источника питания и минимальное сопротивление рельсов. Однако в отличие от шунтового режима неблагоприятные условия контрольного режима создаются не в случае максимального сопротивления изоляции, а при некотором критическом его значении. Это объясняется тем, что при r_и = , что соответствует отсутствию утечки тока через балласт, в случае лопнувшего рельса или при его изъятии нарушается цепь тока для путевого реле и создаются хорошие условия для отпускания якоря реле.

При минимальном сопротивлении изоляции напряжение на реле также минимально, и в случае повреждения рельса незначительное снижение тока в реле приводит к прекращению его работы. Неблагоприятные условия создаются при некотором критическом сопротивлении изоляции, когда в случае повреждения рельса цепь тока сохраняется (за счет протекания тока через балласт) и в то же время сопротивление изоляции достаточно велико, что приводит к увеличению тока реле.

Контрольный режим обеспечивается тем лучше, чем ниже сопротивления по концам (по условиям обеспечения контрольного режима сопротивление по концам РЦ должно выбираться по возможности более низким). При низком сопротивлении по концам увеличение сопротивления передачи, вызванное повреждением рельса, приводит к более резкому уменьшению тока в путевом приемнике, что повышает чувствительность к повреждению рельса.

Если сопротивление по концам велико, то изменение сопротивления передачи, вызванное повреждением рельса, сказывается менее резко, поэтому чувствительность РЦ в контрольном режиме снижается. Таким образом, требования к выбору сопротивлений по концам по условиям шунтового и контрольного режимов являются противоположными.

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что в используемом на железных дорогах СНГ диапазоне частот оптимальные сопротивления по концам должны находиться в пределах 0,2-0,4 Ом. При этом обеспечивается работа РЦ во всех режимах.

Режим АЛС соответствует вступлению поезда на входной конец РЦ. В этом режиме ток в рельсах под приемными катушками локомотива должен быть не менее расчетного, необходимого для надежной работы приемных устройств АЛС на локомотиве. Минимальный расчетный ток должен быть не менее 1,2 А при автономной тяге, 2 А - при электротяге постоянного тока и частоте сигнального тока 50 Гц, 1,4 А - при электротяге переменного тока и сигнальном токе частотой 25 или 75 Гц. Требования этого режима совпадают с требованиями нормального режима, так как в режиме АЛС необходимо обеспечить заданный ток на релейном конце в самых неблагоприятных условиях. Поэтому неблагоприятные условия режима АЛС совпадают с неблагоприятными условиями нормального режима - минимальное напряжение источника питания, максимальное сопротивление рельсов и минимальное сопротивление изоляции.

Режим короткого замыкания соответствует моменту шунтирования питающего конца РЦ колесными парами подвижного состава. Этот режим не является основным, при нем проверяется лишь то, что мощность короткого замыкания при максимальном напряжении не превышает допустимую номинальную мощность источника питания.

Неблагоприятные условия для всех рассмотренных режимов работы РЦ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Режим работы рельсовой цепи	Напряжение источника питания	Сопротивление
		рельсов	изоляции
Нормальный	Минимальное	Максимальное	Минимальное
Шунтовой	Максимальное	Минимальное	Максимальное
Контрольный	"	"	Критическое
АЛС	Минимальное	Максимальное	Минимальное
Короткого замыкания	Максимальное	-	-

Условия работы РЦ во всех режимах при заданных нормативных параметрах рельсовой линии и оптимальном выборе сопротивлений по концам зависят от длины рельсовой цепи, частоты сигнального тока, коэффициента возврата путевого приемника и других факторов.

Длина РЦ во многом определяет условия ее работы во всех режимах. Предельную допустимую длину при заданной частоте сигнального тока выбирают такой, чтобы РЦ работала надежно во всех режимах. Если длина рельсовой цепи ниже предельно допустимой, то она работает в более легких условиях, и все режимы в ней обеспечиваются с некоторым запасом.

В большинстве случаев предельная длина РЦ определяется по условиям контрольного режима. Достаточно точным критерием выбора длины РЦ для различных частот сигнального тока является параметр г1, т. е. затухание рельсовой линии, которое должно оставаться приблизительно постоянным. Так как с увеличением частоты тока г также возрастает, то предельная длина РЦ уменьшается.

Расчетная предельная длина РЦ с частотой сигнального тока 25 Гц l_пред =3500 м (практически она принята равной 2500 м); 50 Гц- lпред=3000 м (принята 2600 м); 75 Гц- l_пред=2700 м (принята 2600 м). При более высоких частотах сигнального тока предельная длина уменьшается примерно обратно пропорционально корню квадратному из частоты сигнального тока (рис. 1).

Рисунок 1. График зависимости предельной длины рельсовой цепи от частоты сигнального тока

Предельная длина зависит от коэффициента возврата путевого приемника (путевого реле), который в значительной мере определяет чувствительность рельсовой цепи к шунту и повреждению рельса. Коэффициент возврата характеризует отношение рабочего тока (напряжения) к току (напряжению), при котором надежно фиксируется занятость рельсовой цепи. Применительно к РЦ непрерывного питания с путевым реле коэффициент возврата реле:

Кв = Iо /Iр,

где Iо и Iр - соответственно токи отпускания и срабатывания путевого реле.

Для большей гарантии обеспечения шунтового и контрольного режимов принято, чтобы фактическая сила тока в обмотках реле в шунтовом и контрольном режимах не превышала 60 % тока отпускания якоря реле. Поэтому расчетный коэффициент надежного возврата:

Квн=0,6Iо/Iр.

Учитывая, что значение Кв для большинства путевых реле не превышает 0,5, для надежного обеспечения шунтового и контрольного режимов необходимо, чтобы ток в обмотках реле РЦ с непрерывным питанием при наложении шунта или повреждении рельса составлял не более 30 % тока срабатывания (рис. 2, а). При таком низком коэффициенте возврата все режимы РЦ постоянного тока надежно обеспечиваются, если длина РЦ не превышает 1500 м.

Рисунок 2. График работы рельсовой цепи в нормальном и шунтовом режимах

В импульсных РЦ отпускание якоря реле обеспечивается в каждом интервале между импульсами (рис. 2, б). Поэтому для обеспечения шунтового и контрольного режимов достаточно, чтобы при наложении шунта или повреждении рельса ток в обмотках снижался до значения, обеспечивающего надежное несрабатывание реле. Этот ток (Iнн) принимают равным 75 % рабочего тока. Коэффициент возврата импульсной РЦ составляет:

Квн=Iнн/Iр=0,75Iр/Iр=0,75.

Более высокий коэффициент возврата обусловливает высокую чувствительность этой РЦ к шунту и повреждению рельса. Это позволяет увеличить предельную длину до 2600 м. При этом обеспечивается такая же чувствительность к шунту и повреждению рельса, как и РЦ с непрерывным питанием длиной 1500 м. Однако неправильно было бы считать, что только при импульсном питании может быть достигнуто повышение коэффициента возврата и как следствие этого предельной длины РЦ. Имеются технические средства, позволяющие реализовать высокий коэффициент возврата и при непрерывном питании. Имеются схемы РЦ, в которых реализуется Квн, близкий к единице, при непрерывном сигнальном токе в рельсах.

На условия работы и выбор предельной длины РЦ оказывают влияние пределы изменения напряжения источника питания, поскольку нормальный режим должен обеспечиваться при минимальном напряжении источника питания. Чем стабильнее напряжение источника питания, тем лучше условия работы РЦ и при прочих равных условиях может быть достигнута более высокая ее предельная длина. В соответствии с требованиями ПТЭ отклонение от установленных норм напряжений допускается в сторону уменьшения не более 10 %, а в сторону увеличения - не более 5 %.

7. Параметры рельсовой линии. Схемы замещения рельсовых цепей

7.1 Параметры рельсовой линии

Условия передачи сигналов по рельсовой линии определяются ее первичными параметрами - электрическим сопротивлением рельсов и сопротивлением изоляции между ними, называемым также сопротивлением балласта. При расчетах используют удельные величины этих параметров.

Удельное электрическое сопротивление рельсов z (Ом/км) представляет собой электрическое сопротивление обеих рельсовых нитей (рельсовой петли) с учетом сопротивления стыковых соединителей, отнесенное к 1 км рельсовой линии. Сопротивление рельсов зависит от их типа, состояния стыковых накладок, от типа и состояния стыковых соединителей.

Сопротивление рельсов постоянному току r определяется в основном типом и состоянием стыковых соединителей, так как собственное сопротивление сплошного рельса мало. Сопротивление рельсовой петли равно сумме сопротивлений обеих рельсовых нитей:

r=r1+r2.

Установлены следующие нормативные значения удельного сопротивления рельсов постоянному току: максимальное r_mах при стальных штепсельных соединителях равно 0,6 Ом/км, при стальных приварных - 0,2 Ом/км; минимальное r_тin при штепсельных соединителях равно 0,3 Ом/км, при приварных - 0,1 Ом/км. Сравнение этих значений показывает, что при замене стальных штепсельных соединителей приварными сопротивление рельсов уменьшается в три раза, а в зависимости от состояния стыковых соединителей в процессе эксплуатации сопротивление рельсов постоянному току может изменяться в два раза. В зависимости от режима работы РЦ в расчетах используют r_mах или r_min удельное сопротивление рельсов.

Сопротивление рельсов постоянному току может быть значительно стабилизировано при применении стыковых соединителей с малым и неизменным сопротивлением. Наиболее благоприятные условия для передачи сигналов в РЦ постоянного тока создаются на участках с цельносварными рельсовыми плетями длиной до 900 м. В этом случае сопротивление рельсов постоянному току уменьшается до 0,05 Ом/км, т. е. в 12 раз по сравнению с нормативными значениями сопротивлений для штепсельных соединителей и в четыре раза для приварных.

Полное сопротивление рельсов:

R=rl,

где r - удельное сопротивление рельсов, Ом/км; l - длина рельсовой линии, км.

Удельное сопротивление рельсовой петли переменному сигнальному току z (Ом/км) является комплексной величиной, обусловленной наличием активной и индуктивной составляющих:

Z=r_a+jщL_o,

где r_а - активное сопротивление рельсов вместе со стыковыми соединителями, Ом/км; L_o - общая индуктивность рельсовой петли, Гн/км; щ-угловая частота сигнального тока, рад/с.

Угловая частота сигнального тока:

щ=2лf,

где f-частота сигнального тока, Гц.

Общая индуктивность рельсовой петли:

L_o= Le +2(Li + Lc),

где Le-внешняя индуктивность рельсовой петли; Li - внутренняя индуктивность целой рельсовой нити; Lc - индуктивность стыковых соединителей.

Основную часть общей индуктивности L_о составляет внешняя индуктивность Le, определяемая лишь геометрическими размерами рельсовой линии, как и у любой двухпроводной цепи.

Внутренняя индуктивность Li и активное сопротивление r_а из-за поверхностного эффекта и гистерезиса в ферромагнитных проводниках зависят от частоты сигнального тока, магнитной проницаемости, удельного сопротивления рельсовой стали и от геометрических размеров рельса. Существуют лишь приближенные формулы для вычисления значений r_а и Li. С возрастанием частоты сигнального тока вследствие явления поверхностного эффекта и гистерезиса активное сопротивление рельсов возрастает. Полное сопротивление рельсов переменному току выражается модулем и аргументом (фазовым углом). Нормативные значения удельного сопротивления рельсов переменному сигнальному току частотой 25, 50 и 75 Гц приведены в табл. 1.

Таблица 1

Частота сигнального тока, Гц	Тип стыковых соединителей	Модуль полного сопротивления рельсов, Ом/км	Аргумент (фазовый угол), град
25	Медные приварные	0,5	52
50	Медные приварные	0,8	65
	Стальные приварные	0,85	60
	Стальные штепсельные	1,0	56
5	Медные приварные	1,07	68

Из табл. 1 видно, что сопротивление рельсов переменному сигнальному току, в отличие от сопротивления рельсов постоянному току, от типа и состояния стыковых соединителей изменяется незначительно и определяется в основном активным и индуктивным сопротивлением самих рельсов. При замене стальных приварных соединителей медными приварными и даже при цельносваренных рельсовых плетях, когда сопротивление стыков уменьшается более чем в 10 раз, полное сопротивление рельсов уменьшается всего на 20 %, поэтому при расчетах РЦ переменного тока не учитывают колебания сопротивления рельсов из-за изменения сопротивления стыков в процессе эксплуатации и пользуются приведенными в табл. 8.4 значениями при расчете всех режимов работы РЦ, т. е. значения Z_max и Z_min принимаются одинаковыми.

При частотах сигнального тока свыше 75 Гц сопротивление рельсов возрастает практически пропорционально частоте, так как преобладающей становится индуктивная составляющая, обусловленная внешней индуктивностью, которая с изменением частоты сигнального тока остается неизменной.

Расчетные значения удельного сопротивления рельсов переменному сигнальному току приведены в табл. 2.

Таблица 2

Частота сигнального тока, Гц	Модуль полного сопротивления, Ом/км	Аргумент полного сопротивления, град
125	1,54	71
175	2	73
225	2,6	73
275	3,1	76
325	3,7	76
375	4,3	77
425	4,9	78
475	5,4	79
725	6,6	80
1000	8,9	81
2000	17,3	84
3000	23	85
5000	42	86

Сопротивление рельсовой петли переменному току Z не является суммой сопротивлений обеих рельсовых нитей Z₁ и Z₂ в отдельности, т. е. Z?Z₁+Z₂. Физически это объясняется явлением взаимной индуктивности рельсовых нитей. Ток, проходящий по каждой рельсовой нити, наводит в противоположной нити ток взаимоиндукции, совпадающий по направлению с основным током. Увеличение тока эквивалентно уменьшению сопротивления, поэтому полное сопротивление рельсовой петли:

Z=Z₁+Z₂-2Z₁₂,

где Z₁₂ - сопротивление, обусловленное взаимной индуктивностью рельсовых нитей.

Сопротивление каждой рельсовой нити в отдельности.

Z₁ =Z₂=Z/2-Z₁₂.

Расчеты показывают, что сопротивление рельсовой петли и сопротивление каждой рельсовой нити в отдельности приблизительно одинаковы, т. е. ZZ1=Z2.

Полное сопротивление Z (Ом) при длине рельсовой линии l определяется через удельное сопротивление:

Z=zl.

Электрическим сопротивлением изоляции (балласта) рельсовой линии r_и (Ом/км) называется сопротивление, оказываемое току утечки из одной рельсовой нити в другую через балласт и шпалы. Значение сопротивления изоляции зависит от типа и состояния балласта и шпал, арматуры крепления рельсов к шпалам, наличия зазора между подошвой рельсов и балластом, от температуры и влажности окружающего воздуха и многих других причин.

При изменении частоты сигнального тока от 0 до 2000 Гц сопротивление изоляции изменяется незначительно и имеет активный характер, на частоте свыше 2000 Гц начинает проявляться емкостная составляющая. Сопротивление изоляции во многом зависит от типа и состояния балласта. Наилучшим материалом для балластного слоя является щебень, хорошими изоляционными свойствами обладает гравий, при песчаном и асбестовом балласте сопротивление изоляции ниже. Еще больше сопротивление изоляции зависит от степени загрязнения балласта. Даже щебеночный балласт через несколько лет после укладки, загрязняясь песком, пылью, шлаком, углем и другими материалами, не всегда обеспечивает нормативное сопротивление изоляции. Особенно резко снижается сопротивление изоляции на участках, где производится перевозка минеральных удобрений и солей, а также на участках с солончаковыми почвами. В условиях эксплуатации сопротивление изоляции может изменяться в зависимости от погоды и других условий от долей Ома на километр (летом после дождя) до 100 Ом·км (зимой в сильный мороз).

На железных дорогах СНГ для РЦ постоянного и переменного тока для всех видов балласта установлена единая норма минимального сопротивления изоляции, равная 1 Омкм. Однако в условиях эксплуатации это значение бывает не всегда. При касании подошвой рельса балласта, наличии гнилых шпал, загрязнении балласта, а также при наличии шпал, пропитанных токопроводящими антисептиками (хлористый цинк), на участках с асбестовым балластом при засорении его сыпучими грузами, при солончаковой почве сопротивление изоляции снижается до 0,5 Омкм и ниже. Это может привести к нарушению нормального действия РЦ.

На участках с железобетонными шпалами работа импульсных рельсовых цепей постоянного тока усложняется из-за проявления так называемого аккумуляторного электрохимического эффекта, когда рельсовая линия в импульсе накапливает энергию, за счет которой в интервале импульсное реле удерживает якорь; это приводит к сбою в работе рельсовой цепи. Для обеспечения нормального действия рельсовых цепей в этих условиях разработаны специальные схемы, в частности схема рельсовой цепи с двухполярным питанием.

Полное сопротивление изоляции рельсовой линии длиной l:

R_и=r_и /l.

Процесс распространения электрических сигналов в рельсовой линии, как и в любой другой электрической линии с распределенными параметрами, характеризуется ее вторичными параметрами: коэффициентом распространения волны у (1/км) и волновым сопротивлением Zв.

Коэффициент распространения волны:

г=б+jв,

где б - коэффициент затухания; в - фазовый коэффициент.

Физически коэффициент затухания характеризует изменение амплитуды, а фазовый коэффициент - изменение фазы сигнала при прохождении 1 км рельсовой линии.

Коэффициент распространения определяется первичными параметрами:

где z и r_и - соответственно удельное сопротивление рельсов и удельное сопротивление изоляции; - аргумент сопротивления рельсов.

Для постоянного тока (=, =0):

При стальных приварных соединениях ==0,447 1/км. Для переменного тока частотой 50 Гц и при приварных медных соединителях = 0,89е^j32,50 1/км.

Волновое сопротивление характеризует соотношение между напряжением и током в каждой точке рельсовой линии при распространении электромагнитной волны. Волновое сопротивление определяется первичными параметрами:

Вторичные параметры зависят от частоты сигнального тока, поскольку они определяются первичными параметрами. С повышением частоты сигнального тока вторичные параметры возрастают приблизительно пропорционально корню квадратному из частоты.

7.2 Схемы замещения рельсовых цепей

При анализе и расчете рельсовые цепи заменяют общей схемой замещения (рис. 1), состоящей из каскадного соединения трех четырехполюсников Н, РЛ и К, которые замещают соответственно аппаратуру в начале рельсовой линии, рельсовую линию и аппаратуру в конце рельсовой линии. Обозначения на схеме показаны применительно к работе рельсовой цепи в нормальном режиме. Все показанные величины являются комплексными. При работе рельсовой цепи в шунтовом и контрольном режимах схема замещения будет такой же, однако значения коэффициентов четырехполюсника РЛ будут другими.

Напряжение и ток на входе каждого четырехполюсника, например, РЛ,

U_H = AU_K + BI_K; i_H = CU_K + DI_R., (1)

Коэффициенты четырехполюсников Н и К определяют известными методами, рассматриваемыми в теории электрических цепей, с учетом схемы и параметров элементов, включенных в начале и в конце рельсовой линии.

Рисунок 1. Общая схема замещения рельсовые цепи

Осуществляя последовательные преобразования схем каскадного соединения двух четырехполюсников с помощью уравнения, можно получить коэффициенты четырехполюсников N_Н и N_K.

Параметры четырехполюсников N_Н и N_K постоянные и не зависят от режимов работы рельсовой цепи. Параметры четырехполюсника N_РЛ переменные, они зависят от режима работы рельсовой цепи и изменяются непрерывно вследствие воздействия климатических условий на состояние пути и, следовательно, изменения сопротивления изоляции рельсовой линии или дискретно при наложении шунта либо обрыве рельсовой нити.

Вся схема рельсовой цепи между источником питания и путевым приемником может быть заменена общим четырехполюсником с коэффициентами А_о, В_о, С_о, D_o (см. рис. 1), которые вычисляют перемножением матриц коэффициентов четырехполюсников N_Н, N_РЛ и N_K:

Напряжение и ток источника питания рельсовой цепи:

U = A_оU_Р + B_оI_Р; I = C_оU_Р + D_оI_Р.

Четырехполюсники N_Н, N_РЛ и N_K принято считать линейными, т. е. их параметры не зависят от протекающего тока. В связи с этим напряжение и ток на входе приемника РЦ в нормальном, шунтовом и контрольном режимах изменяются пропорционально изменению напряжения и тока в конце рельсовой линии. Это дает возможность при анализе и расчетах рельсовой цепи пользоваться более простой, так называемой основной схемой замещения (рис. 2, а).

Рисунок 2. Основная схема замещения рельсовые цепи

Ее получают путем замены электрической схемы в начале рельсовой линии по методу эквивалентного генератора и схемы устройств в конце рельсовой линии по методу эквивалентной нагрузки. При этом напряжение эквивалентного генератора U_Э равно напряжению холостого хода на выходе четырехполюсника Н (рис. 2, б). Внутреннее сопротивление эквивалентного генератора Z'_ВХН представляет собой обратное входное сопротивление четырехполюсника N_H при замкнутых зажимах источника питания (рис. 2, в).

Сопротивление Z_BXK представляет собой входное сопротивление четырехполюсника N_K, на выходе которого подключен приемник рельсовой' цепи с входным сопротивлением Z_Р (см. рис. 1).

8. Методика расчета рельсовых цепей

8.1 Расчет нормального режима. Критерий работы РЦ

Нормальным режимом называется такое состояние исправной и свободной от подвижного состава РЦ, при котором путевой приемник выдает информацию "Свободно".

Такая информация будет выдаваться надежно, если в правильно спроектированной и отрегулированной РЦ будут соблюдаться следующие условия:

при практическом сочетании значений основных параметров, соответствующих неблагоприятным условиям для передачи энергии (U=min, Z(r)=max, r_u=min), уровень сигнала на входе приемника соответствует его рабочему току;

при критическом сочетании значений основных параметров, соответствующих благоприятным условиям для передачи энергии (U=max, Z=min, r_u=max), уровень сигнала на входе приемника не превышает его допустимую перегрузку по току.

Так как схемы РЦ и ее параметры заданы, то необходимо при наихудших условиях определить напряжение (регулировочный элемент ток и мощность U, I и S источника, при котором происходит надежное срабатывание приемника - 1-е условие, а для второго условия фактический коэффициент перегрузки К_пер.ф. К_{пер.доп.}

Для примера расчет нормального режима производим кодовой РЦ при сопротивлении изоляции r_u=1 Омкм.. Схема замещения представлена на рис. 3.

Определение регулировочного элемента. Для определения напряжения и тока преобразователя частоты (источника питания) необходимо определить напряжение и ток в конце и в начале РЛ U_k, I_k, U_н, I_н и коэффициенты четырехполюсника РЛ - А, В, С, Д. Напряжение и ток в конце РЛ определяются:

U_k = A_k U_ф + B_k I_ф, В

I_k = C_k U_ф + Д_k I_ф, А

где Uф, Iф - напряжение и ток на входе фильтра ФП-25;

Ак, Вк, Ск, Дк - коэффициенты четырехполюсника РЛ определяются по формуле:

А = Д = chl; B = Z_вshl; C = shl;

где - коэффициент распространения волны, 1/км;

Z_в - волновое сопротивление РЛ, Ом;

...