Глава 2.Тональные рельсовые цепи
2.1.Принципы построения и особенности тональных рельсовых цепей
Свое название тональные рельсовые цепи (ТРЦ) получили в связи с использованием в них сигнального тока с частотами тонального диапазона в области 400…6000 Гц, который условно можно разделить на два поддиапазона: низкий 400…800 Гц и высокий 4…6 кГц.
Сигнальные токи ТРЦ представляют собой амплитудно-модулированные (манипулированные) сигналы, в которых несущие синусоидальные частоты модулируются сигналами низкой частоты 8 и 12 Гц. Таким образом, в качестве отличительных признаков сигнального тока используются значения несущей частоты и частоты модуляции [9, 10, 11, 12].
Принцип образования амплитудно-модулированного (АМ) сигнала наглядно демонстрирует рис. 2.1. На нем изображены формы сигналов несущей частоты fн, частоты модуляции fм и результирующий АМ сигнал fс.
Рисунок 2.1 – Образование амплитудно-модулированного сигнала путем модуляции несущего синусоидального сигнала сигналом низкой частоты
Сигнальные токи ТРЦ низкочастотного диапазона образуются путем модуляции пяти несущих частот сигналами 8 и 12 Гц. За счет использования различных комбинаций несущих частот и частот модуляции возможно образование десяти АМ сигналов, имеющих следующие обозначения: f 8/8, f 8/12, f 9/8, f 9/12, f 11/8, f 11/12, f 14/8, f 14/12, f 15/8, f 15/12. Первое число в обозначении сигнала соответствует номеру ближайшей меньшей гармоники промышленной частоты (50 Гц) и может быть получено делением значения несущей частоты на 50 без остатка. Второе число в обозначении определяет частоту модуляции 8 или 12 Гц.
Сигнальные токи ТРЦ высокочастотного диапазона образуются путем модуляции трех несущих частот 4545, 5000 и 5555 Гц сигналами 8 и 12 Гц и имеют следующие обозначения: 4,5/8; 4,5/12; 5,0/8; 5,0/12; 5,5/8; 5,5/12 (всего – шесть комбинаций). В числителе указаны округленные до первого знака после запятой значения несущих частот в килогерцах, в знаменателе – значения частот модуляции 8 или 12 Гц.
Таким образом, в ТРЦ возможно использование 10+6=16 различных АМ сигналов.
В зависимости от времени разработки, применяемых сигнальных частот, аппаратуры, а также систем АБ (ЦАБ или АБТ) ТРЦ можно условно разделить на четыре типа: ТРЦ1, ТРЦ2, ТРЦ3 и ТРЦ4.
В ТРЦ1, ТРЦ2 и ТРЦ3 (РЦ низкочастотного диапазона) используют пять несущих частот, причем в ТРЦ1 и ТРЦ2 номинальные значения этих частот составляют 425, 475, 575, 725 и 775 Гц. С учетом опыта эксплуатации ТРЦ1 и ТРЦ2 (ЦАБ) в ТРЦ3 для повышения защищенности приемных устройств от помех, вызванных влиянием гармоник тягового тока, были использованы частоты 420, 480, 580, 720 и 780 Гц. Выбор этих частот (несущих и модулирующих) обусловлен обеспечением помехозащищенности путевого приемника от гармонических составляющих сигналов АЛС-АРС и тягового тока. В ТРЦ4 использованы частоты 4545, 5000 и 5555 Гц. Значения несущих частот этого диапазона выбраны по условиям получения требуемых минимальных зон дополнительного шунтирования при организации так называемого «электрического» стыка с помощью ТРЦ4, а также обеспечения их работы при низком сопротивлении балласта, что более подробно будет рассмотрено в разделе 2.10.
ТРЦ1 использовались в системе ЦАБ, ТРЦ2 – в системе ЦАБ-М, ТРЦ3 и ТРЦ4 разработаны для применения в системе АБТ. ТРЦ3 могут быть также использованы в системе ЦАБ.
Основу ТРЦ составляют не ограниченные изолированными стыками рельсовые цепи. В связи с этим ТРЦ иначе еще называют бесстыковыми рельсовыми цепями (БРЦ). В случае необходимости ИС могут устанавливаться в отдельных точках рельсовой линии (например, в местах установки светофоров).
Основные принципы построения БРЦ наглядно демонстрирует рис. 2.2.
Г1, Г2 – генераторы сигнального тока БРЦ;
П1, П2 – приемники сигнального тока БРЦ;
1РЦ…6РЦ – БРЦ;
1,…,2/3,…,5/6 – точки подключения аппаратуры БРЦ;
Lш – зона дополнительного шунтирования (Lш.п. – по приближению, Lш.у. – по удалению);
Lрц – физическая длина БРЦ;
Lф – фактическая длина БРЦ с учетом зон Lш (Lш.п. + Lш.у.);
– поезд.
Рисунок 2.2 – Структурная схема бесстыковых РЦ
Для сокращения количества аппаратуры, кабеля и числа сигнальных частот питание двух соседних РЦ осуществляется от одного источника (генератора), который вырабатывает АМ сигналы (рис. 2.2.). Так, питание приемников 1П1 и 2П1 1РЦ и 2РЦ соответственно, осуществляется источником 1/2Г1 сигнальным током, например f 8/8, чем обеспечивается контроль состояния 1РЦ и 2РЦ. Аналогично, контроль состояния 3РЦ и 4РЦ осуществляется с помощью приемников 3П2 и 4П2, и источника 3/4Г2 сигнальным током f 9/12. Взаимное влияние смежных РЦ исключается генерацией АМ сигналов источниками 1/2Г1 и 3/4Г2 с различными несущими частотами и частотами модуляции (f 8/8 и f 9/12). Влияние сигнального тока на удаленные РЦ (например, источника 1/2Г1 на приемник 5П1 5РЦ) исключается благодаря затуханию сигнала при прохождении его через БРЦ 2РЦ, 3РЦ, 4РЦ. Согласно данным ВНИИЖТ, затухание сигнала при его прохождении в пределах «своей» БРЦ составляет примерно 20 дБ. Затухание же сигнала от влияющего источника при прохождении его через три БРЦ (2, 3, 4) составляет примерно 60 дБ. В связи с этим, помеха от источника 1/2Г1, расположенного за три БРЦ от данного приемника (5П1), примерно в 100 раз слабее полезного сигнала, поступающего на вход приемника 5П1 от генератора собственной БРЦ (5/6Г1).
При неблагоприятном соотношении длин нескольких БРЦ (т.е. суммарная длина БРЦ, через которые проходит сигнал от влияющего источника, ниже предельно допустимого значения), взаимное влияние БРЦ, работающих на одинаковых АМ сигналах, возрастает. В этом случае, для исключения взаимного влияния используют третью несущую частоту, например, 575 Гц в дополнение к частотам 425 и 475 Гц.
В БРЦ используются потенциальные приемники (подключены к рельсам и срабатывают от разности потенциалов между рельсами в месте подключения). Одна из особенностей БРЦ, которая обусловлена отсутствием ИС, заключается в том, что фактическая область контроля состояния каждой БРЦ (Lф) несколько шире области (рис. 2.2.), ограниченной точками подключения аппаратуры к РЛ (Lрц), т.е. физической длины РЦ, и, в общем случае, составляет сумму длин: Lрц + 2Lш = Lф, где Lрц – физическая длина РЦ; Lш – зоны дополнительного шунтирования; Lф – фактическая длина БРЦ с учетом зон дополнительного шунтирования. Это объясняется тем, что в связи с отсутствием ИС, при движении поезда шунтирование БРЦ происходит на некотором расстоянии от точек подключения аппаратуры БРЦ к РЛ. Различают зону дополнительного шунтирования РЦ по приближению (Lш.п.) и зону дополнительного шунтирования РЦ по удалению (Lш.у. ), т.к. освобождение БРЦ происходит также на некотором расстоянии от точки подключения аппаратуры выходного (приемного) конца БРЦ. В связи с тем, что коэффициент возврата приемника БРЦ меньше единицы ( 0,8), то зона дополнительного шунтирования по приближению меньше зоны дополнительного шунтирования по удалению. Она (Lш.п.) соответствует такому положению поезда, когда напряжение на входе приемника снижается до значения, соответствующего его порогу отпускания. А зона дополнительного шунтирования по удалению (Lш.у. ) соответствует положению поезда, когда напряжение на входе приемника достигает значения порога срабатывания. На практике это означает, что занятие и освобождение поездом БРЦ фиксируется на некотором расстоянии от точек подключения путевых трансформаторов питающих и приемных концов БРЦ.
Длина зоны дополнительного шунтирования является переменной величиной и зависит от частоты сигнального тока, рабочего напряжения сигнала на входе путевого приемника, сопротивления балласта РЛ, коэффициента возврата путевого приемника, реального сопротивления поездного шунта, сопротивления рельсов и длины БРЦ. На линиях метрополитенов при несущих частотах сигнального тока 725 и 775 Гц длина зоны дополнительного шунтирования (Lш) в условиях эксплуатации находится в пределах (12-25) м. При использовании более низких частот (575, 475, 425 Гц) длина Lш возрастает и на частоте 425 Гц может составлять 40 м и более (на линиях железных дорог – 40…120 м). При повышении частоты сигнального тока, напряжения на входе путевого приемника, сопротивления балласта и сопротивления рельсов длина Lш уменьшается, а при уменьшении этих параметров, наоборот, возрастает. В практических условиях эксплуатации на линиях железных дорог изменение длины Lш в основном обусловлено изменением сопротивления балласта БРЦ, а на линиях метрополитена – колебанием напряжения источника питания. Получение минимальной длины зоны дополнительного шунтирования может быть достигнуто повышением напряжения сигнала на входе путевого приемника до максимально допустимого (с учетом требований нормативно-технической документации), при котором обеспечиваются все режимы БРЦ. Наличие зон Lш вызывает определенные сложности при установке светофоров в связи с отсутствием четко определенных границ БРЦ. При этом необходимо исключить возможность появления красного огня на проходном светофоре автоблокировки перед приближающимся поездом. Для этих целей возможна установка изолирующих стыков в местах установки светофоров. Другим эффективным методом решения данной проблемы является применение так называемого «электрического» стыка в виде двух укороченных ТРЦ4. В данном случае для уменьшения зоны дополнительного шунтирования используют сигнальный ток высокой частоты. По данным ВНИИЖТ, наиболее существенное уменьшение зоны дополнительного шунтирования проявляется в диапазоне частот (1 – 4) кГц. С учетом возможности работы БРЦ в условиях низких значений сопротивления балласта в качестве средней частоты сигнального тока в ТРЦ4 была принята частота 5,0 кГц. При использовании ТРЦ4 длиной до 300 м зона дополнительного шунтирования в них не превышает 22 м. С уменьшением длины ТРЦ4 зона дополнительного шунтирования уменьшается и при длине РЦ 150 м не превышает 15 м, что позволяет устанавливать проходные светофоры без использования изолирующих стыков. При этом место установки проходного светофора переносится на 20 м от точки подключения аппаратуры высокочастотной БРЦ навстречу движению поезда. Более подробно применение данных принципов будет рассмотрено в главе 3.
Минимальная гарантированная зона Lш учитывается при определении тормозных путей и выборе точек подключения аппаратуры. От размеров зоны Lш значительно зависят регулировочные характеристики режима АЛС (АЛС-АРС). Для нормальной работы устройств АЛС (АЛС-АРС), применяемых в качестве основного средства регулирования движением поездов, достаточно установить нормальную (нормативную) величину тока АЛС (АЛС-АРС) на расстоянии LАЛС (LАЛС-АРС), равном суммарной длине РЦ (Lрц) и зоны дополнительного шунтирования (Lш), т.е. LАЛС (LАЛС-АРС) Lрц + Lш. При этом схемным путем исключается передача запрещающего сигнала АЛС со входного конца занимаемой поездом БРЦ. В эксплуатации смена сигнала АЛС (АЛС-АРС) на поезде в зависимости от длины зоны Lш, скорости поезда и ряда других факторов может происходить в зоне Lш, точке подключения аппаратуры, а при большой скорости движения – после вступления на РЦ.
Наличие зон Lш не оказывает существенного влияния на пропускную способность при выполнении условия: Lш 0,15 Lрц. Это условие выполняется при использовании несущих частот 425 и 475 Гц и практически приемлемой максимальной длине РЦ 1000 м или при использовании несущих частот 575, 725 и 775 Гц и практически приемлемой максимальной длине РЦ 300 м.
Максимальная длина БРЦ на линиях железных дорог составляет 1000 м. В этом случае обеспечиваются все режимы работы БРЦ при сопротивлении изоляции (балласта) не менее 0,7 Омкм. С уменьшением сопротивления балласта до 0,1 Омкм предельная длина БРЦ (ТРЦ1…ТРЦ3) снижается до 250 м. На линиях метрополитена длина БРЦ не превышает 300 м. Это обусловлено предельной мощностью передатчика сигналов частотной АЛС-АРС. Согласно данным ВНИИЖТ, в случае, если расстояние между приемными концами соседних БРЦ превышает 400 м, возможно использование двух сигнальных частот 425 и 475 Гц. При длинах 100 – 400 м следует применять три сигнальные частоты: 425, 475 и 575 Гц.
Потребляемая мощность БРЦ определяется, в основном, нагрузками передающих устройств БРЦ и АЛС. Максимальная мощность, потребляемая передающими устройствами в расчете на одну БРЦ частотной АЛС – 40 ВА, при одновременной передаче двух сигнальных частот – 80 ВА. Мощность, потребляемая передающими устройствами БРЦ в расчете на одну РЦ не превышает 10 ВА. Среднее же значение мощности, потребляемой данными устройствами, ниже этих значений.
Использование амплитудно-модулированных (АМ) сигналов обеспечивает надежную защиту приемных устройств от воздействия гармонических и импульсных помех тягового тока, а также помех, создаваемых токами централизованного электроснабжения вагонов пассажирских поездов. Для исключения ложного срабатывания путевых приемников при случайном объединении рельсовых нитей соседних путей на двухпутных участках железных дорог используются сигнальные токи с четырьмя отличительными признаками: 425/8, 425/12, 475/8, 475/12. Сигналы 425/8 и 475/12 применяют в БРЦ одного пути, а сигналы 425/12 и 475/8 – другого пути двухпутного участка.
В системе ЦАБ на каждой станции размещается аппаратура, относящаяся, примерно, к половине перегона.
Аппаратура бесстыковой рельсовой цепи (передатчик и приемник) может располагаться на разных станциях. Кроме путевых трансформаторов (ПТ) на линиях с электротягой, в отдельных случаях могут устанавливаться и дроссель-трансформаторы (ДТ). Аппаратура передающих и приемных концов БРЦ соединяется с путевыми трансформаторами симметричным сигнальным кабелем с парной скруткой жил.
Питание двух соседних БРЦ производится по одной из пар жил сигнального кабеля. Два приемника смежных БРЦ также подключают одной парой жил кабеля. По ним же передаются кодовые сигналы АЛС от передающих устройств АЛС, расположенных на станциях. Такая структура БРЦ в системе ЦАБ позволяет рационально использовать передающую аппаратуру БРЦ и сигнальный кабель. При таком же количестве РЦ с ИС потребовалось бы в два раза больше генераторов и сигнального кабеля. Контроль перегона, смена направления движения и увязка между станциями обеспечиваются по отдельным цепям этого же сигнального кабеля.
Кодовые сигналы АЛС передаются в БРЦ с момента занятия ее поездом. Кодовые сигналы могут передаваться как с питающего, так и с релейного концов БРЦ в зависимости от установленного направления движения.
Структура и принципы построения БРЦ, впервые примененных в системе ЦАБ, позволяют сделать вывод, что ТРЦ обладают рядом существенных эксплуатационных, технических и экономических преимуществ по сравнению с эксплуатируемыми традиционными рельсовыми цепями с ИС и сигнальным током в диапазоне (0-75) Гц.
К таким преимуществам в первую очередь следует отнести возможность получения довольно большого числа признаков сигнального тока – до 10 (в ТРЦ1, ТРЦ2 и ТРЦ3), а с учетом ТРЦ4 – до 16. Это позволяет обеспечить эффективную защиту от опасных ситуаций при объединении рельсовых нитей соседних путей на перегонах и станциях, а также от взаимных влияний станционных и перегонных РЦ. На повышенных частотах возрастает затухание в обходных цепях через рельсовые нити смежных путей и другие элементы обратной тяговой сети. При этом влияние этих цепей на работу ТРЦ существенно уменьшается, как и уменьшается взаимное влияние между ТРЦ при возникновении в них асимметрии.
К достоинствам ТРЦ следует также отнести возможность исключения в них мало надежных в эксплуатации изолирующих стыков (до 50 % всех отказов РЦ приходится на долю ИС). Это особенно важно для участков с цельносварными рельсовыми нитями, в первую очередь для линий, где такие рельсовые нити укладываются на длину всего перегона. Установка ИС в этом случае не только снижает прочность пути, но и уменьшает эффективность использования цельносварных нитей.
При отсутствии ИС обеспечивается надежная электрическая непрерывность цепи возврата тягового тока, в несколько раз сокращается число металлоемких дорогостоящих ДТ, содержащих большую массу дефицитной электротехнической меди и имеющих большой вес, снижаются потери электроэнергии на тягу поездов. В случае необходимости ИС могут устанавливаться в тех случаях, когда необходима точная фиксация границ РЦ (в местах установки светофоров, стрелок и т.п.).
Наличие относительно небольших зон дополнительного шунтирования (ТРЦ4) позволяет использовать ТРЦ для управления устройствами переездной сигнализации без установки дополнительных ИС на переездах, при одновременном повышении точности фиксации участка приближения. Уменьшение длины РЦ для повышения их работоспособности на участках с низким сопротивлением балласта (аппаратура БРЦ-НСБ) при использовании сигнального тока в диапазоне тональных частот также может обеспечиваться без установки дополнительных ИС. По данным ВНИИЖТ, частоты тонального диапазона являются оптимальными при использовании в РЦ на участках с сопротивлением балласта в пределах 0,04 – 0,2 Омкм.
Следует также отметить, что основная энергия гармонических и импульсных помех тягового тока сосредоточена в области низких частот. В области тональных частот она значительно меньше. Это позволяет за счет уменьшения входного сопротивления аппаратуры ТРЦ в области нерабочих частот (селективными цепями) обеспечить ее надежную работу, сведя проблему практически к защите согласующих элементов РЦ (путевых и дроссель-трансформаторов).
Возможность исключения опасных положений при сходе ИС и влияний импульсных помех тягового тока позволяют применить ТРЦ в системах АБ при сохранении светофорной сигнализации (путевых проходных светофоров) и ИС на сигнальных точках.
Отмеченные выше достоинства ТРЦ также важны при использовании тональных РЦ на линиях скоростного движения.
Произведенный НИИ АС ЖТ (Россия) анализ спектра и уровня помех, создаваемых электрооборудованием перспективного подвижного состава, их сопоставление с техническими характеристиками ТРЦ в части допустимого уровня помех, показали, что ТРЦ обладают достаточной защищенностью от помех, и при их использовании в наибольшей степени по сравнению с другими типами РЦ обеспечивается электромагнитная совместимость с электрооборудованием перспективного подвижного состава. Использование ТРЦ позволяет минимум на порядок снизить потребляемую мощность (по сравнению с традиционными РЦ), применить современную элементную базу, централизованно размещать аппаратуру.
Следует также отметить, что ТРЦ имеют превосходство по шунтовой чувствительности и особенно чувствительны к нарушению контрольного режима (целостности рельсовой электрической линии) даже в случае объединения средних точек ДТ.
При использовании уравнивающих трансформаторов (типа УТ3) на приемных концах ТРЦ практически снимаются ограничения на предельное соотношение длин РЦ, питающихся от одного генератора, и на количество приемников, используемых в одной разветвленной ТРЦ для контроля ответвлений.
Благодаря своим преимуществам на сегодняшний день ТРЦ являются основным типом РЦ, применяемых при новом проектировании как на перегонах, так и на станциях при всех видах тяги поездов и на линиях с централизованным электроснабжением вагонов пассажирских поездов. ТРЦ также отдается предпочтение и на линиях скоростного движения.