2. Рельсовые цепи

Рельсовая цепь (РЦ) это электрическая цепь, состоящая из источника тока, рельсов, используемых в качестве проводников тока и приемника – путевого реле.

Функции, выполняемые РЦ

1. Датчик свободности или занятости участка пути подвижным составом.

2. Контроль целостности рельсовых нитей.

3. Телемеханический канал передачи информации в системах АБ и АЛС.

4. Пропуск обратного тягового тока (ОТТ) на электрифицированных участках железной дороги.

Классификация рельсовых цепей

По схеме включения путевого реле: нормально разомкнутые и нормально замкнутые.

Схема простейшей нормально разомкнутой РЦ приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема нормально разомкнутой рельсовой цепи

Схема состоит из последовательно включенных рельсовой линии, ограничительного сопротивления R_О, аккумулятора Акк, используемого в качестве источника тока, и путевого реле П. Границами РЦ являются изолирующие стыки, отделяющие рельсовую линию от рельсов смежных РЦ.

В нормальном состоянии, когда участок пути свободен от подвижного состава, РЦ разомкнута, ток в обмотке реле П отсутствует, реле выключено.^* При вступлении на данный участок подвижной единицы происходит замыкание рельсов ее колесными парами, рельсовая цепь замыкается, по обмотке путевого реле начинает протекать ток, реле срабатывает. Сила тока может быть отрегулирована путем изменения значения ограничительного сопротивления, выполненного в виде реостата. Таким образом, в нормально разомкнутой РЦ свободному состоянию пути соответствует выключенное состояние реле, а занятому – включенное.

Преимущества данной РЦ: высокая шунтовая чувствительность (до 1 Ом), то есть включение путевого реле происходит при замыкании РЦ колесной парой, имеющей достаточно большое электрическое сопротивление, и высокое быстродействие, поскольку время срабатывания реле, как правило, меньше времени отпускания.

Основным недостатком нормально разомкнутой РЦ является ее небезо­пасность. При обрыве любого провода, разряде аккумулятора или в случае излома рельса путевое реле останется без тока вне зависимости от наличия на пути подвижного состава, что приведет к опасному отказу – ложной свободности. Поэтому применение нормально разомкнутых РЦ ограничивается сортировочными станциями, где нет пассажирского движения.

Схема простейшей нормально замкнутой РЦ приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема нормально замкнутой рельсовой цепи

Схема состоит из тех же самых элементов, но включены они по другому. К одному концу рельсовой линии, называемому питающим, подключен аккумулятор и ограничительное сопротивление, а к другому, называемому релейным, обмотка путевого реле.

В нормальном состоянии, при отсутствии поезда, по цепи протекает электрический ток, называемый сигнальным, путевое реле включено. При вступлении на путь подвижной единицы происходит замыкание рельсов между собой и большая часть тока будет протекать не по обмотке путевого реле, а по колесным парам поезда, имеющим очень низкое электрическое сопротивление и выполняющим роль шунта. Реле П остается без тока и выключается. При возникновении любой неисправности (отключение питания, обрыв проводников, излом рельса) цепь разрывается, реле выключится и покажет ложную занятость пути, что является защитным отказом и не несет непосредственной угрозы для безопасности движения. Таким образом, путевое реле нормально замкнутой РЦ будет включено только при ее свободности от подвижного состава и исправности, а во всех остальных случаях – выключено. Регулировка нормально замкнутой РЦ осуществляется с помощью переменного сопротивления R₀.

Преимуществом данной схемы является ее безопасность, а недостатком – низкая шунтовая чувствительность (не менее 0,06 Ом) и большее время реакции на вступление поезда.

Данная схема применяется повсеместно, поэтому в дальнейшем будем рассматривать именно нормально замкнутые РЦ.

По способу питания: с непрерывным, с импульсным питанием и кодовые. В схемах с непрерывным питание источник подключен к рельсам постоянно. В схемах с импульсным питанием источник подключается периодически (во время импульсов), что позволяет сократить расход электроэнергии и увеличить длину рельсовой линии. В кодовых рельсовых цепях сигнальный ток подается в рельсовую линию посылками, отличающимися числом импульсов и интервалов между ними, что позволяет еще и передавать по рельсовой цепи определенную информацию.

По роду сигнального тока: постоянного тока, переменного тока низкой частоты – 50 и 25 Гц и переменного тока тональной (звуковой) частоты в диапазоне от 420 до 5555 Гц. РЦ постоянного тока применяются ограниченно, только на участках с автономной тягой, РЦ частотой 50 Гц применяются на участках с электрической тягой постоянного тока, РЦ частотой 25 Гц при электрической тяге переменного тока, а тональные рельсовые цепи (ТРЦ) – при любом виде тяги.

По наличию стрелочных переводов: на разветвленные и неразветвленные.

По использованию рельсов для пропуска ОТТ: на однониточные и двухниточные. В однониточной РЦ тяговый ток протекает только по одному рельсу, а в двухниточной – по обоим.

По количеству выходов ОТТ: на одно-, двух- и трехдроссельные, по числу устанавливаемых дроссель-трансформаторов, обеспечивающих протекание ОТТ в обход изолирующих стыков.

По наложению кодов АЛС: на кодируемые и некодируемые.

Первичные электрические параметры рельсовой линии

Удельное сопротивление рельсов r_р = 0,2–0,6 Ом/км зависит от типа рельсов, типа и состояния стыковых соединителей. Стыки между рельсами одной нитки подразделяются на неизолирующие и изолирующие. Неизолирующие стыки должны обеспечивать надежный пропуск сигнального и тягового тока, могут быть сварными (бархатный путь), с медными приварными или стальными штепсельными соединителями. Изолирующие стыки, наоборот, должны исключать попадание сигнального тока из одной рельсовой цепи в другую. Существует две конструкции изолирующих стыков: с металлическими накладками и полиэтиленовыми изолирующими прокладками и с диэлектрическими стеклотекстолитовыми накладками.

Удельное сопротивление изоляции между рельсами (сопротивление балласта) r_б = 0,1–200 Ом/км, зависит от состояния верхнего строения пути – чистота, влажность и тип балласта, подрезка балласта, наличие гнилых и треснувших шпал, исправность изоляции анкерных болтов в железобетонных шпалах.

Режимы работы рельсовых цепей

Существует три основных режима работы РЦ:

– нормальный – когда рельсовая цепь исправна и свободна от подвижного состава, путевое реле включено;

– шунтовой – наступает при занятии РЦ подвижным составом, путевое реле выключено;

– контрольный – наступает в случае неисправности РЦ (излом или изъятие рельса), путевое реле выключено.

Кроме того, выделяют два подрежима шунтового режима:

– режим короткого замыкания – наступает при вступлении поезда на питающий конец РЦ;

– режим АЛСН – существует только в кодируемых РЦ и обеспечивает надежную передачу кодов АЛС на локомотив.

На работу РЦ во всех режимах оказывают влияние первичные параметры рельсовой линии и напряжение источника питания U_ИП. Невыполнение хотя бы одного из основных режимов работы РЦ приводит к нарушению нормального действия устройств СЦБ, снижению пропускной способности и безопасности движения поездов. Поэтому РЦ периодически проверяются и регулируются. Наихудшие условия для выполнения основных режимов приведены в табл. 1.

Кроме того, на выполнение шунтового режима влияет сопротивление колесных пар подвижной единицы и ее местоположение по длине рельсовой линии. Максимальное сопротивление колесной пары, при котором происходит выключение путевого реле, называется шунтовой чувствительностью R_Ш. В любой точке любой РЦ шунтовая чувствительность должна быть не менее значения нормативного шунта R_{Ш. НОРМ}, принятого равным 0,06 Ом.

Таблица 1

Наихудшие условия и последствия невыполнения основных режимов РЦ

Режим	rб	rр	Uип	Отказ
Нормальный	min	max	min	П↓ – ложная занятость
Шунтовой	max	min	max	П↑ – ложная свободность
Контрольный	критическое*	min	max	П↑ – неконтролируемый излом рельса

Необходимо отметить, что не любой дефект рельса приводит к размыканию электрической рельсовой цепи (излом головки рельса, несквозные трещины, сколы, раковины, излом рельса в зоне стыка и др.), поэтому наличие контрольного режима не гарантирует безопасность движения в полной мере. Для выявления этих и других дефектов необходима периодическая проверка состояния верхнего строения пути визуальным осмотром и путем ультразвуковой дефектоскопии. Данные работы выполняются работниками службы пути с применением ручных дефектоскопных тележек, а также вагонов-дефектоскопов и вагонов-путеизмерителей.

Схемы рельсовых цепей

Схема рельсовой цепи постоянного тока с непрерывным питанием приведена на рис. 6. Данная схема применяется на станциях на малодеятельных неэлектрофицированных участках. Максимальная длина рельсовой линии 1500 м. Схема состоит из выпрямителя типа ВАК-14, включенного в буфере с ним аккумулятора АБН-72, ограничительного резистора сопротивлением 6 Ом и путевого реле типа НР2 с сопротивлением обмотки 2 Ом. Нормально схема получает питание от сети переменного тока напряжением 220 В, которое подается на вход выпрямителя. В случае отключения основного источника ток в рельсовую линию будет поступать от аккумулятора, емкости которого должно хватить на 24 часа автономной работы. Преимущества схемы: простота и возможность работы в районах с негарантированным электроснабжением. Недостатки: РЦ подвержена влиянию блуждающих токов земли, вся аппаратура расположена на поле, в путевых коробках, что затрудняет регулировку и обслуживание.

Схема рельсовой цепи постоянного тока с импульсным питанием приведена на рис. 7. Данная схема применяется на перегонах, оборудованных автоблокировкой, на участках с автономной тягой. Максимальная длина рельсовой линии 2600 м. На питающем конце РЦ дополнительно установлен маятниковый трансмиттер МТ-1, являющийся датчиком равномерных импульсов с периодом следования 0,6 с. Контакты МТ включены последовательно с рельсовой линией. На питающем конце подключено импульсное путевое реле ИП типа ИМШ1 с сопротивлением обмотки 0,3 Ом. В нормальном режиме реле ИП срабатывает в каждом импульсе, посылаемом МТ, а в каждой паузе – выключается. Для преобразования импульсной работы реле ИП в непрерывную работу основного путевого реле П служит релейный дешифратор РД. Импульсный режим работы защищает схему от подпитки путевого реле непрерывным блуждающим током, позволяет вдвое снизить потребление электроэнергии (при одинаковой длине и параметрах рельсовой линии) или увеличить длину рельсовой линии.

Рис. 6. Схема рельсовой цепи постоянного тока с непрерывным питанием

Рис. 7. Схема рельсовой цепи постоянного тока с импульсным питанием

РЦ переменного тока низкой частоты 50 или 25 Гц применяются при электрической тяге постоянного и переменного тока на перегонах и станциях. При новом строительстве и капитальном ремонте на станциях проектируются РЦ частотой 25 Гц.

На рис. 8 приведена схема станционной двухдроссельной неразветвленной рельсовой цепи частотой 25 Гц, применяемой на участках с электрической тягой постоянного тока. Максимальная длина рельсовой линии 1200 м. Аппаратура питающего конца состоит из понижающего путевого трансформатора ПТ типа ПРТ-А, ограничительного резистора сопротивлением 50 Ом и дроссель-трансформатора типа ДТ-0,6, служащего для пропуска ОТТ в обход изолирующих стыков. Питание схемы осуществляется от преобразователя частоты ПЧ-50/25 (на схеме не показан). Переменный ток подается в рельсовую линию со вторичной обмотки ПТ, через ограничительное сопротивление, вторичную и первичную обмотки дроссель-трансформатора. Аппаратура релейного конца состоит из ДТ, защитного резистора релейного конца R_Р, сопротивлением 2,2 Ом , двухэлементного фазочувствительного путевого реле П типа ДСШ-13А и защитного блока ЗБ-ДСШ. Сигнальный ток из рельсовой линии через ДТ и защитное сопротивление поступает на верхнюю (по схеме) путевую обмотку реле П. На нижнюю обмотку реле П подается напряжение питания частотой 25 Гц от местного источника. Включение реле ДСШ происходит только в том случае, если ток путевой обмотки совпадает по частоте с током местной обмотки и отстает от него на 90° по фазе. Тем самым исключается срабатывание путевого реле от посторонних источников или от источников питания смежных рельсовых цепей. Блок ЗБ-ДСШ необходим для защиты путевой обмотки реле от перенапряжений в рельсовой линии.

Схема кодовой рельсовой цепи частотой 50 Гц приведена на рис. 9. Данная схема применяется на перегонах, оборудованных автоблокировкой, на участках с электрической тягой постоянного тока. Напряжение питания в РЦ подается с путевого трансформатора ПТ типа ПОБС-3. Ограничение тока короткого замыкания осуществляется дросселем Z₀ типа РОБС-3. Контакт трансмиттерного реле Т подает ток в рельсовую линию импульсами числового кода. Конденсаторы C₁ и C₂ служат для искрогашения на контактах реле Т. Назначение дроссель-трансформаторов в данной схеме то же самое, что и в предыдущей схеме. На релейном конце ко вторичной обмотке ДТ подключен защитный блок-фильтр ЗБФ-1 и импульсное путевое реле И типа ИМВШ-110. ЗБФ пропускает из рельсовой линии на реле И сигнальный ток частотой 50 Гц и заграждает другие частоты, присутствующие в рельсах, также ЗБФ защищает обмотку путевого реле от перенапряжений. Реле И является приемником числового кода и работает в импульсном режиме при свободной РЦ. В шунтовом и контрольном режимах реле выключено. В случае попадания в РЦ напряжения от постороннего источника нарушается правильная импульсная работа реле, что воспринимается схемой автоблокировки как защитный отказ – ложная занятость.

Рис. 8. Схема рельсовой цепи переменного тока с фазочувствительным

путевым реле

Рис. 9. Схема кодовой рельсовой цепи

Схемы рельсовых цепей переменного тока тональной частоты

В настоящее время применяется аппаратура ТРЦ третьего (ТРЦ-3) и четвертого поколения (ТРЦ-4).

В ТРЦ-3 сигнальный ток имеет вид равномерных импульсов на несущих частотах 420, 480, 580, 720 или 780 Гц, частота следования импульсов составляет 8 или 12 Гц. В смежных рельсовых цепях несущие и модулирующие частоты чередуются. Максимальная длина рельсовой линии 1000 м.

Аппаратура ТРЦ-4 отличается несущей частотой, которая составляет 4545, 5000 и 5555 Гц. Максимальная длина рельсовой линии 100 м.

Преимущества ТРЦ:

• не требуются изолирующие стыки, так как сигнал высокой частоты затухает в рельсовой линии на незначительном расстоянии;

• лучше защищены от влияния тягового тока;

• могут применяться при любом виде тяги;

• ниже потребление электроэнергии.

Схема подключения аппаратуры ТРЦ-3 изображена на рис. 10.

На питающем конце устанавливается путевой генератор ГП3, вырабатывающий одно из десяти возможных сочетаний несущей и модулирующей частот (в качестве примера выбрана несущая частота 480, а модулирующая 12 Гц). Сигнал с выхода ГП поступает на путевой фильтр ФПМ, необходимый для согласования выходного сопротивления генератора с входным сопротивлением рельсовой линии, подавления паразитных частот передаваемого сигнала (что исключает влияние на работу приемников смежных рельсовых цепей) и защиты ГП от перенапряжений в рельсах. Далее через конденсатор С1 емкостью 4 мкФ сигнальный ток поступает на первичную обмотку понижающего путевого трансформатора ПТ типа ПОБС-2, а с его вторичной обмотки через защитный резистор сопротивлением 0,23 Ом – в рельсовую линию. Поскольку в схеме отсутствуют изолирующие стыки, сигнальный ток растекается в обе стороны и попадает сразу на два релейных конца рельсовой линии. На релейном конце сигнальный ток через защитный резистор попадает на первичную обмотку повышающего релейного трансформатора РТ. С его вторичной обмотки через конденсатор С ток поступает на два последовательно включенных путевых приемника ПП, один из которых настроен на несущую и модулирующую частоты данной РЦ, а другой – смежной. При поступлении на вход ПП сигнального тока необходимого напряжения срабатывает путевое реле П типа АНШ2-310, которое подключено к его выходу. Вторые ПП и реле П_СМ контролируют смежные РЦ и настроены на соответствующие частоты.

При оборудовании ТРЦ станционных путей изолирующие стыки в большинстве случаев сохраняются, это объясняется необходимостью разграничения маршрутов параллельных передвижений, а также необходимостью обеспечить изоляцию в стрелочных переводах.

Рис. 10. Схема тональной рельсовой цепи

Схемы разветвленных рельсовых цепей

Схема простейшей рельсовой цепи с последовательной изоляцией путей приведена на рис. 11.

Рис. 11. Схема разветвленной рельсовой цепи с последовательной

изоляцией путей

В этой схеме дополнительно установлены две пары изолирующих стыков, которые исключают короткое замыкание в крестовине стрелочного перевода, а также один стрелочный соединитель, необходимый для подключения к основной схеме участка пути, ограниченного дополнительными изостыками, и два межпутных соединителя, соединяющих прямой путь и боковое отклонение стрелочной секции.

В нормальном режиме ток от источника протекает сначала по одному из рельсов прямого пути, межпутный соединитель, рельс бокового ответвления, обмотку стрелочного путевого реле СП и по вторым рельсам и второму межпутному соединителю возвращается обратно. Участок пути между дополнительными изостыками током не обтекается. В шунтовом режиме замыкание рельсов колесной парой приводит к выключению реле СП. В контрольном режиме нарушается целостность рельсов, ток в обмотке реле СП уменьшается, и оно выключается. Следует отметить, что излом рельса между дополнительными изостыками не приведет к изменению тока в обмотке реле, и оно останется включенным, что само по себе является опасным отказом. Более того, если между местом излома и дополнительными изостыками находится подвижная единица, то ее колесные пары не будут шунтировать рельсовую цепь, что чревато дачей ложной свободности.

Ввиду своей небезопасности данная схема применяется ограниченно, только на малых станциях. Единственное преимущество схемы – это меньший расход аппаратуры и кабеля, а следовательно – меньшая стоимость.

Схема разветвленной РЦ с параллельной изоляцией путей и дополнительными путевыми реле приведена на рис. 12.

Рис. 12. Схема разветвленной рельсовой цепи с параллельной изоляцией путей

В данной схеме ток протекает по рельсам обоих ответвлений параллельно. В конце каждого из ответвлений подключено свое стрелочное путевое реле СП1 и СП2. В нормальном режиме оба реле находятся под током и через их фронтовые контакты включается основное стрелочное путевое реле СП. В шунтовом режиме колесные пары поезда замыкают рельсовую линию и реле СП1, СП2 и СП выключаются. При изломе рельса в любой точке выключится хотя бы одно из путевых реле СП1 или СП2 и разомкнет цепь питания реле СП.

Данная схема является более безопасной, поскольку в ней отсутствуют участки не обтекаемые сигнальным током, что обуславливает ее повсеместное применение. Недостатком является увеличенный расход аппаратуры (три реле вместо одного) и кабеля.

Реальные разветвленные РЦ могут включать в себя до трех стрелочных переводов, иметь до трех путевых реле и обеспечивать до трех выходов ОТТ.