1.2.2.Электрические параметры рельсовых цепей

Рельсовая цепь может быть представлена схемой замещения (рис. 1.2), на которой основные структурные части изображены в виде четырехполюсников: Н (аппаратуры передающего конца), РЛ (рельсовой линии) и К (аппаратуры приемного конца), к которым подключены источник напряжения E и путевой приемник Z_ПП. Для определения напряжений и токов в различных точках цепи, а также для расчета потребляемых мощностей, необходимо знать электрические параметры перечисленных элементов.

Рисунок 1.2 – Общая схема замещения рельсовой цепи

Любой четырехполюсник характеризуется комплексными параметрами A, B, C, D, которые являются коэффициентами уравнений, связывающих входные ( ) и выходные ( ) напряжения и токи:

(1.1)

Значения коэффициентов A, B, C, D определяются внутренней структурой четырехполюсника. При известных параметрах A, B, C, D можно определить входные Z_вх и выходные Z_вых сопротивления четырехполюсников.

Рельсовая линия является цепью с распределенными параметрами и ее можно условно представить в виде бесконечного числа последовательно соединенных элементов длиной (рис. 1.3). Параметрами каждого элемента являются:

R_р – километрические активное сопротивление рельсовой петли, Ом/км;

L_р – километрическая индуктивность рельсовой петли, Ом/км;

G_и – километрическая проводимость изоляции, См/км;

C_и – километрическая емкость линии, Ф/км.

Для практических целей вместо параметра G_и чаще используется обратная величина – сопротивление изоляции R_и = 1/G_и, Ом·км.

Рисунок 1.3 – Схема замещения элемента рельсовой линии

Полное километрическое сопротивление рельсов находится как , а полная километрическая проводимость изоляции – как , где – круговая частота сигнального тока. Параметры R_р, L_р, G_и, C_и, а также , называют первичными параметрами РЛ. Их значения могут изменяться в широких пределах в зависимости от конструкции и состояния верхнего строения пути.

Сопротивление рельсов зависит от площади их поперечного сечения, температуры, вида и состояния стыковых соединителей, рельсовых накладок, а также от частоты сигнального тока (см. табл. 1.1). Стыковые соединители в виде металлических накладок, соединяющие рельсовые звенья, в процессе эксплуатации не создают устойчивый электрический контакт, и поэтому сопротивление рельсовой линии меняется в значительных пределах. При больших значениях сопротивления рельсовой линии работа РЦ может быть неустойчивой или нарушаться.

Таблица 1.1 – Расчетные значения километрического сопротивления рельсов

Частота, Гц	25	50	75	175	420	480
Модуль сопротивления, Ом/км	0,5	0,8	1,07	2,0	4,9	5,4
Аргумент, град/км	52	65	68	72	79	80
Частота, Гц	580	720	780	4500	5000	5500
Модуль сопротивления, Ом/км	6,2	7,4	7,9	43,8	48,7	53,6
Аргумент, град/км	80	80,5	81	88	88	88

Нормативное расчетное значение километрического сопротивления постоянному току рельсов типа Р-65 для магистральных железных дорог принимается 0,2 Ом/км. Минимальное сопротивление рельсов для РЦ постоянного тока принимается 0,1 Ом/км.

Сопротивление изоляции рельсовой линии складывается из частичных сопротивлений между рельсами и поверхностями шпал или участков балласта, а также сопротивлений самих шпал. Этот параметр в значительной степени зависит от климатических факторов, а также от вида и степени загрязненности балласта и шпал. При сухом или промерзшем балласте сопротивление изоляции составляет 20 и более Омкм, при мокром балласте оно может опускаться до 0,5 – 1,0 Омкм, а на особо неблагоприятных участках – до долей ома на километр.

Наилучшим материалом для балластного слоя является щебень; другие балластные материалы (гравий, ракушечник) создают меньшее электрическое сопротивление, чем щебень; наиболее низкое сопротивление изоляции наблюдается при песчаном балласте.

Эквивалентная схема замещения сопротивления изоляции РЛ представлена на рис. 1.4. Сопротивления r_u1 и r_u2 характеризуют переходные сопротивления между каждым рельсом и землей, а сопротивление r_u12 характеризует часть тока утечки, проходящего непосредственно из рельса в рельс по верхнему слою балласта и шпал. Соотношения между этими составляющими сопротивления изоляции выражает коэффициент поверхностной проводимости

. (1.2)

Значение этого коэффициента зависит от вида балласта и шпал (см. табл. 1.2). При анализе контрольного режима из расчета наихудших условий принимают (отсутствие утечки тока по шпалам).

Рисунок 1.4 – Схема замещения элемента изоляции рельсовой линии

Таблица 1.2 – Значения коэффициента поверхностной проводимости

Вид шпал	Вид балласта
Деревянные	Щебеночный	1,8
Деревянные	Песчаный	3,2
Железобетонные	Щебеночный	9,1

Наличие утечки тока по поверхности балласта и шпалам приводит к тому, что при разрыве рельсовой нити непрерывность электрической цепи не нарушается, и при определенных условиях это может привести к невыполнению контрольного режима.

Расчетное минимальное удельное сопротивление изоляции РЛ для магистрального железнодорожного транспорта принято: для двухниточных РЦ – 1 Омкм, однониточных и разветвленных – 0,5 Омкм; для линий метрополитена – 2 Омкм. Для нормально разомкнутых горочных РЦ установлено минимальное сопротивление изоляции 3 Ом на рельсовую цепь. Рельсовые цепи тональной частоты могут рассчитываться для более низких сопротивлений изоляции – до 0,1 Омкм.

На участках с электротягой, по условиям техники безопасности, опоры контактной сети заземляются на один из рельсов (рис. 1.5). При этом эквивалентное сопротивление изоляции вычисляется по формуле

, (1.3)

где – километрическое сопротивление заземления опор.

Минимальное сопротивление заземления опор принимается равным 2 Ом·км.

Рисунок 1.5 – Схема заземления опор контактной сети