Основные требования к рельсовым цепям и режимы их работы

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 рельсовой цепи, поскольку это нарушает условия безопасности движения поездов.

Основные требования к рельсовым цепям следующие. При от­сутствии подвижного состава на рельсовой цепи 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 рельсовых цепей — нормальный, шунтовой, контроль­ный и режим АЛС. Во всех указанных режимах рельсовые цепи 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. Рельсовые цепи 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 рельсовая цепь должна удовлетворять требованиям всех режимов.

Нормальный (регулировочный) режим соответствует свободному состоянию рельсовой цепи. 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 рельсовой цепи 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 рельсовых цепей 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 рельсовой цепи 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 рельсовой цепи. 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 рельсовой цепи 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 рельсовой цепи 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 России диа­пазоне частот оптимальные сопротивления по концам должны нахо­диться в пределах 0,2—0,4 Ом. При этом обеспечивается работа рельсовой цепи во всех режимах.

Режим АЛС соответствует вступлению поезда на входной конец рельсовой цепи. 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 рельсовой цепи 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 рельсовых цепей приведены в табл. 8.5.

Таблица 8.5

Условия работы рельсовых цепей 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 рельсовой цепи во многом определяет условия ее работы во всех режимах. Предельную допустимую длину при заданной час­тоте сигнального тока выбирают такой, чтобы рельсовая цепь 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 рельсовой цепи опре­деляется по условиям контрольного режима. Достаточно точным критерием выбора длины рельсовой цепи для различных частот сиг­нального тока является параметр γ1, т. е. затухание рель­совой линии, которое должно оставаться приблизительно постоян­ным. Так как с увеличением частоты тока γ также возрас­тает, то предельная длина рельсовой цепи уменьшается.

Расчетная предельная длина рельсовой цепи с частотой сиг­нального тока 25 Гц lпред ==3500 м (практически она приня­та равной 2500 м); 50 Гц—lпред=3000 м (принята 2600 м); 75 Гц—lпред=2700 м (принята 2600 м). При более высоких частотах сигнального тока предельная длина уменьшается примерно обратно пропорционально корню квадратному из частоты сигнально­го тока (рис. 8.17).

Рис. 8.17. 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 рельсовой цепи 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=0,6×Iо/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 рельсовой цепи с непрерывным питанием при наложении шунта или поврежде­нии рельса составлял не более 30% тока срабатывания (рис. 8.18,а). При таком низком коэффициенте возврата все режимы рельсовых цепей постоянного тока надежно обеспечиваются, если длина рель­совой цепи не превышает 1500 м.

Рис. 8.18. График работы рельсовой цепи в нормальном и шунтовом режимах

В импульсных рельсовых цепях отпускание якоря реле обеспе­чивается в каждом интервале между импульсами (рис. 8.18, 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 рельсовой цепи составляет

Квн=Iнн/Iр=0,75Iр/Iр=0,75.

Более высокий коэффициент возврата обусловливает высокую чувствительность этой рельсовой цепи 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 рельсовой цепи 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 рельсовой цепи. Имеются технические средства, позволяющие реализовать высокий коэффициент возврата и при непрерывном питании. В последующих главах учебника будут рассмотрены схемы рельсовых цепей, в ко­торых реализуется Квн, близкий к единице, при непрерывном сигналь­ном токе в рельсах.

На условия работы и выбор предельной длины рельсовой цепи 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 рельсовой цепи 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%.

Вопросы для самоконтроля по пункту: