Первичные и вторичные 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 rmах при стальных штепсельных соединителях равно 0,6 Ом/км, при стальных приварных—0,2 Ом/км; минимальное rтin 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 рельсовой цепи в расчетах используют rmах или rmin 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 рельсовой цепи 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=ra+jωLo,
где rа — активное сопротивление рельсов вместе со стыковыми соединителями, Ом/км;
Lo — общая индуктивность рельсовой петли, Гн/км;
ω—угловая частота сигнального тока, рад/с.
Угловая частота сигнального тока ω=2лf, где f—частота сигнального тока, Гц.
Общая индуктивность рельсовой петли
Lo=Le+2(Li+Lc),
где Le—внешняя индуктивность рельсовой петли;
Li — внутренняя индуктивность целой рельсовой нити;
Lc — индуктивность стыковых соединителей.
Основную часть общей индуктивности Lo составляет внешняя индуктивность Le, определяемая лишь геометрическими размерами рельсовой линии, как и у любой двухпроводной цепи.
Внутренняя индуктивность Li и активное сопротивление rа 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 rа 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. 8.4.
Таблица 8.4
Частота сигнального тока, Гц | Тип стыковых соединителей | Модуль полного сопротивления рельсов, Ом/км | Аргумент (фазовый угол), град |
Медные приварные | 0,5 | ||
Медные приварные | 0,8 | ||
Стальные приварные | 0,85 | ||
Стальные штепсельные | 1,0 | ||
Медные приварные | 1,07 |
Из табл. 8.4 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 рельсовых цепей 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 рельсовых цепей, т. е. значения Zmax и Zmin 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:
Частота сигнального тока, Гц | Модуль полного сопротивления, Ом/км | Аргумент полного сопротивления, град | Частота сигнального тока, Гц | Модуль полного сопротивления, Ом/км | Аргумент полного сопротивления, град | |
1,54 | 5,4 | |||||
6,6 | ||||||
2,6 | 8,9 | |||||
3,1 | 17,3 | |||||
3,7 | ||||||
4,3 | ||||||
4,9 |
Сопротивление рельсовой петли переменному току Z не является суммой сопротивлений обеих рельсовых нитей Z1 иZ2 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. Z Z1=Z2.
Полное сопротивление Z (Ом) при длине рельсовой линии l определяется через удельное сопротивление Z=zl.
Электрическим сопротивлением изоляции (балласта) рельсовой линии rи (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 России для рельсовых цепей постоянного и переменного тока для всех видов балласта установлена единая норма минимального сопротивления изоляции, равная 1 Ом×км. 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 Ом×км и ниже. Это может привести к нарушению нормального действия рельсовых цепей.
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
Rи=rи/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
γ=α+jβ,
где α — коэффициент затухания;
β — 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 rи — соответственно удельное сопротивление рельсов и удельное сопротивление изоляции;
j — аргумент сопротивления рельсов.
Для постоянного тока ( g=a, b=0)
При стальных приварных соединениях g=a=0,447 1/км. Для переменного тока частотой 50 Гц и при приварных медных соединителях g = 0,89еj32,50 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.
Вопросы для самоконтроля по пункту:
Дата добавления: 2021-02-19; просмотров: 687;