1.2. Рейкові кола

Пояснення. Рейкові кола (РК) є основним елементом пристроїв про стан колійних ділянок , на основі якої автоматизується процес керування руху поїздів і підвищується безпека руху.

До всіх рейкових кіл подаються такі вимоги. При відсутності рухомого складу на РК колійний приймач повинен надійно фіксувати її вільність. При шунтуванні в будь-якій точці рейкової колії хоча б однією колісною парою, а також при зламі рейки повинен фіксуватися зайнятий стан. У кодових і кодуючи РК при вступі поїзда на вхідний кінець під приймальними котушками повинен забезпечуватися струм АЛС.

У пристроях числового кодового автоблокування на ділянках з електротягою змінного струму застосовується кодові рейкові кола, що живляться струмом частотою 25 Гц (рис. 5.). Такі рейкові ланцюги більш стійко працюють при зниженому опорі ізоляції(баласту), споживають меншу потужність

Рис. 5.

Живлення рейкового кола здійснюється від перетворювача частоти ПЧ 50/25 із вихідною потужністю 100 Вт, що перетворюють частоту промислової мережі 50 Гц у сигнал частотою 25 Гц. Рейкове коло регулюють добором напруги на виході перетворювача.

Електричний фільтр ФП-25 захищає імпульсне колійне реле И від тягового струму. Обмежувачем РК є нерегульований резистор R₀ опором 200 Ом. Для узгодження апаратури з дросель-трансформаторами встановлені трансформатори ПТ на живлячому і ИТ на релейному кінцях. Ці трансформатори разом з автоматичними вимикачами АВМ-1 забезпечують захист апаратури й обслуговуючого персоналу від перенапруг, що можуть виникнути при великій асиметрії тягового струму. Кодові сигнали КЖ,Ж або З посилаються контактом трансмітерного реле Т в залежності від стану перед блок-ділянок. Застосовано дросель-трансформатори типу ДТ-1-1-150 із коефіцієнтом трансформації n = 3.

1.Загальні відомості

У загальному випадку рейкове коло розраховується у п’яти режимах: нормальному, шунтовому, контрольному, АЛСН та короткого замикання. Найнесприятливіші умови для цих режимів визначають за основними параметрами:

z – питомим опором рейок;

_и – питомим опором ізоляції рейкової лінії;

U – напругою джерела живлення рейкового кола;

p – відносною координатою розташування поїзного шунта або місця повного електричного розриву рейки:

де x – фізична координата, км;

l – довжина рейкового кола, км.

Для кожного з режимів використовується своя схема заміщення.

У якості узагальненої розрахункової схеми заміщення для будь-яких типів нерозгалужених РК з одноразовим використанням тракту передачі застосовують загальну схему (рис. 6.), що складається з трьох чотириполюсників: Н – початку, що включає всю проміжну та захисну апаратуру живлячого кінця (дросель-трансформатори, узгоджуючи трансформатори, компенсуючи конденсатори, обмежуючі та захисні опори тощо); РЛ – рейкові лінії; К – кінця, до якого входить проміжна та захисна апаратура приймального кінця (дросель-трансформатори, узгоджуючи та ізолюючі трансформатори, захисні фільтри та опори) та колійний приймач з опором Z_р.

А_к B_к

С_к D_к

A B

C D

H

А_н B_н

С_н D_н

Z_р

Н

К

РЛ

Z_{вх. н} Z´_{вх. н} Z_вх Z´_вх Z_вх.к

Рис. 6. Загальна схема заміщення рейкового кола

Коефіцієнти чотириполюсників Н і К розраховуються для кожної конкретної схеми рейкового кола шляхом перемноження матриць з коефіцієнтів складових чотириполюсників, записаних в порядку послідовності їх в схемі і з врахуванням напряму передачі енергії.

Коефіцієнти чотириполюсника рейкової лінії залежать від довжини РК і її первинних параметрів, а також режимів роботи.

Визначимо значення струму у різних точках рейкового кола при певному значенні струму реле

(1.1)

де – коефіцієнт загасання струму чотириполюсника К.

Значення струму на вході рейкового чотириполюсника:

(1.2)

де – коефіцієнт загасання струму чотириполюсника РЛ.

Струм джерела живлення дорівнює:

(1.3)

де – коефіцієнт загасання струму чотириполюсника Н

Треба підкреслити, що наведена схема заміщення рейкового кола найзручніша для розрахунку нормального режиму, тому що дає можливість визначить значення напруги на початку та в кінці рейкової лінії (U_н і U_к), які можуть бути використані при складанні регулюючих таблиць. Однак у розрахунках інших режимів роботи РК доцільно використовувати основну схему заміщення (рис. 7), яка не містить чотириполюсники Н і К, коефіцієнти яких незмінні у всіх режимах роботи. Ці чотириполюсники замінені їх вхідними опорами.

Z´_{вх. н}

A B

C D

РЛ

Z_{вх. к}

Рис. 7. Основна схема заміщення рейкового кола

Складові основної схеми заміщення РК:

Z_вх..к – прямий вхідний опір чотириполюсника К, яке є навантаженням рейкового чотириполюсника

; (1.4)

– зворотній вхідний опір чотириполюсника Н

; (1.5)

Г – еквівалентний генератор зі зведеними значеннями напруги і струму холостого ходу чотириполюсника Н, які дорівнюють:

і (1.6)

де – зворотній коефіцієнт зниження струму чотириполюсника Н.

Згідно з Рис.7струм у навантаженні Z_вх..к дорівнює:

(1.7)

де – опір передачі основної схеми заміщення рейкового кола:

(1.8)

Слід зазначити, що основна схема заміщення містить зведені (еквівалентні) значення напруги і струму генератора, які не відповідають дійсним значенням. Отже вона не може бути безпосередньо використана для визначення напруги, струму і потужності джерела живлення рейкового кола.

Для того, щоб було можливим використовувати просту схему заміщення і разом з цим керуватися дійсними значеннями струму і напруги генератора, слід перейти від еквівалентних значень напруги і струму до дійсних значень.

Згідно з рівняннями (1.1), (1.6), (1.7) і (1.8):

(1.9)

З виразу (1.9) можна зробити висновок, що дійсне значення опору передачі будь-якої складної схеми рейкового кола може бути розраховано по формулі:

(1.10)

Згідно з рівнянням (1.10):

(1.11)

Рівняння (1.9) і (1.11) є основними рівняннями рейкового кола, оскільки вони можуть бути використані для аналізу або розрахунку будь-якого режиму роботи РК шляхом підстановки відповідних значень коефіцієнтів рейкового чотириполюсника.

З врахуванням (1.1) і (1.2) з відношень (1.3) і (1.9) можна написати вирази для дійсних значень струму і напруги генератора:

(1.12)

(1.13)

Ці два останніх рівняння, які встановлюють безпосередньо залежність між струмом в реле I_р і напругою U та струмом I генератора через параметри усіх елементів рейкового кола, дають можливість використовувати їх для розрахунків РК в будь-яких режимах.

2. Нормальний режим

Нормальним режимом називається такий стан справного та вільного від рухомого складу РК, за якого колійний приймач видає дискретну інформацію «вільно». Така інформація видаватиметься надійно, якщо у вірно запроектованому та відрегульованому РК буде чітко виконуватися дві умови:

- за критичного збігу значень основних параметрів, що відповідають несприятливим умовам для передачі енергії (U_min, z_max, r_{и min}), рівень сигналу на вході одноелементного приймача відповідає його робочому струму I_р або рівень і фаза сигналу на вході ФЧП відповідають його обертальному моменту М_р;

- за критичного збігу значень основних параметрів, що відповідають несприятливим умовам для передачі енергії (U_min, z_max, r_{и min}), рівень сигналу на вході одноелементного приймача не перевищує його допустиме перевантаження за струмом або напругою і фаза сигналу на вході ФЧП не перевищує його перевантаження за обертальним моментом М_пер.д.

Критерієм другого стану РК у режимі, що розглядається, є виконання співвідношення:

К_пер.ф ≤ К_пер.д,

де К_пер.ф – фактичний коефіцієнт перевантаження колійного приймача;

К_пер.д – допустимий (максимальний) коефіцієнт перевантаження колійного приймача (за паспортом реле).

Для розрахунку критеріїв нормального режиму найзручнішою є загальна схема заміщення:

A B

C D

H

А_н B_н

С_н D_н

А_к B_к

С_к D_к

Z_р

Н

К

РЛ

Рис. 8. Розрахункова схема заміщення рейкового кола у нормальному режимі

Методика розрахунку коефіцієнтів чотириполюсників Н і К наведена у попередньому розділі.

Коефіцієнти чотириполюсника РЛ для нормального режиму розраховуються за формулами:

A = D = ch γl; B = Z_вsh γl; С = sh γl / Z_в. (2.1)

Повторні параметри рейкової лінії для кіл змінного струму визначаються за формулами:

- коефіцієнт поширення хвилі:

. (2.2)

Слід визначити, що  є комплексна величина:

 =  + j,

де  – кілометровий коефіцієнт загасання сигналу;

 – кілометровий коефіцієнт фази.

Z_в – хвильовий опір

Z_в = , (2.3)

де z – питомий опір рейок;

– питомий мінімальний еквівалентний опір ізоляції (баласту) рейкової лінії.

Питомий мінімальний опір ізоляції рейкової лінії включає опір заземлення опор контактної мережі, допустиме значення якого для розрахунку складає r_{ор min} = 2 Ом•км.

Схема заміщення опору ізоляції рейкової лінії за наявності заземлення опор контактної мережі має вигляд:

r_{и min /2}

r _{и min /2}

r_{ор min /2}

З наведеної схеми випливає, що питомий мінімальний еквівалентний опір ізоляції рейкової лінії визначається:

= 0,5 r_{и min} + .

Мінімальне значення напруги і струму джерела живлення для рейкового кола змінного струму з одноелементним приймачем можливо визначити послідовним розрахунком напруги і струму кожного чотириполюсника загальної схеми заміщення рейкового кола по формулах:

(2.4)

Після цього визначається уявна потужність споживання рейковим колом у нормальному режимі:

∗

= I _min, (2.5)

де I _min – сполучений комплекс струму джерела живлення

I _min

= e^{-j φI},

де φI – аргумент комплексу струму .

Номінальні значення напруги джерела живлення, яке має бути встановлене на живлячому трансформаторі, повинне враховувати коливання напруги у мережі.

На основі відомого коефіцієнта відхилення напруги джерела живлення К_нс номінальне значення U, I і S мають бути:

(2.6)

Коефіцієнт нестабільності або коливання напруги у мережі змінного струму знаходиться у межах ±10% (К_нс = 1,1).

_˙

Отримане значення напруги U повинне бути встановлено на затискачах колійного трансформатора (ПОБС) або перетворювача частоти (ПЧ). Однак через конструктивні особливості джерел живлення ПОБС-3А і ПЧ50/25 напругу на них можна змінювати тільки за ступенями (на трансформаторі ПОБС-3А через 5,5 В от 5,5 В до 247,5 В, а на перетворювачі частоти ПЧ50/25-100 через 5 В от 5 В до 175 В).Тому для встановлення потрібної напруги необхідно підібрати її найближчий ступінь.

У цьому разі фактичні значення напруги U_ф, струму I_ф і потужності S_ф будуть дещо більшими розрахункових. Ці збільшення враховуються за допомогою коефіцієнта К_тр, якій враховує наявність напруги U джерела живлення, яка ближча до U_ф. Коефіцієнт К_тр  1 визначається:

(2.7)

Тоді фактичні мінімальні значення напруги U_{ф min}, струму I_{ф min} і потужності S_{ф min} будуть:

(2.8)

Фактичне значення напруги U_{ф min} повинне враховуватись при розрахунках усіх інших режимів роботи рейкового кола.

У разі рейкового кола з фазочутливим колійним приймачем (ФЧП) розрахунок нормального режиму насамперед виконується як і з одноелементним приймачем. При цьому задаються номінальні значення напруги і струму спрацювання ФЧП, взяті з паспорту реле, які одержані при ідеальних фазових співвідношеннях у реле. Потім по даних попередніх розрахунків визначається кут розладу реле у нормальному режимі по формулі:

_н = _U -_і, (2.9)

де _н – аргумент комплексу напруги джерела живлення



_і – кут ідеальних фазових співвідношень у ФЧП.



∗

Тоді наведені мінімальні значення напруги, струму і потужності джерела живлення з врахуванням потрібної компенсації розладу реле будуть дорівнювати:



Номінальні зведені значення напруги, струму і потужності генератора з врахуванням коливання напруги у живлячий мережі:

(2.10)

Фактичні зведені значення цих величин повинні визначатись з врахуванням коефіцієнта градації напруги джерела живлення К_тр:

(2.11)

Фактичний коефіцієнт перевантаження одноелементного приймача (реле):

(2.12)

де U_пер.ф – фактична напруга перевантаження реле;

U_р – робоче значення напруги реле;

К_{з ср} – коефіцієнт запасу по спрацюванню колійного реле;

К_и – коефіцієнт нестабільності напруги джерела живлення;

– модуль комплексу максимального значення опору передачі загальної схеми заміщення РК в нормальному режимі при r_{и min};

– модуль мінімального значення опору передачі загальної схеми заміщення РК в нормальному режимі при r_{и max} = .

Опори передачі загальної схеми заміщення РК в нормальному режимі розраховуються за такими формулами:

(2.13)

де A, B, C і D – коефіцієнти рейкового чотириполюсника при r_{и min}; A_ = 1; B_ = Z = zl, C_ = 0; D_= 1 – при r_{и max} = .

Коефіцієнт перевантаження ФЧП по обертальному або тяговому моменту:

(2.14)

де _п – аргумент комплексу Z_{п max};

_п – аргумент комплексу Z_{п min.}

Значення опорів Z_{п max} і Z_{п min} визначаються по формулах (2.13).

Коефіцієнт нестабільності напруги джерела живлення

К_и = U_max / U_min.

Для акумуляторів К_и = 1,26, для трансформаторів К_и = 1,21, для статичних параметричних перетворювачів, які мають часткову стабільність вихідної напруги, К_и = 1,05.

3. Шунтовий режим

Шунтовим режимом називається такий стан зайнятого рухомим складом рейкового кола, за якого колійний приймач видає дискретну інформацію «зайнято». Така інформація буде надійною, якщо при шунтуванні рейкового кола хоч би однією колісною парою рухомого складу, струм у колійному приймачі зменшиться до величини струму відпадання якоря (сектора) колійного реле в разі безперервного живлення РК або надійного не притягання при імпульсному живленні при критичних вимогах для шунтового режиму: U_max, z_min, r_{и mах}, p_{ш кр}. (критична відносна координата знаходження поїзного шунта на рейках).

Оцінити працездатність рейкового кола у шунтовому режимі можна двома методами: безпосереднім або непрямим.

Перший метод дає можливість визначити абсолютну шунтову чутливість R_ш безпосередньо в Омах, тобто знайти той максимальний опір поїзного шунта, при якому забезпечується надійне відпадання (не притягання) якоря (сектора) колійного реле при найнезручніших умовах для цього режиму.

Шунтовий режим виконується за умову:

R_ш  R_шн,

де R_шн – нормативний опір поїзного шунта. R_шн = 0,06 Ом, якій однаковий для усіх рейкових кіл, крім гіркових, для котрих R_шн = 0,5 Ом.

Другий метод (непрямий) дає можливість оцінити реакцію РК на накладання шунта з нормативним опором R_шн на рейки. При цьому визначається коефіцієнт шунтової чутливості К_ш.

Шунтовий режим буде виконуватись, коли:

К_ш  1.

Для розрахунку критеріїв шунтового режиму найзручніша основна схема заміщення. Однак, в разі розрахунку шунтового режиму рейкового кола з ФЧП безпосереднім методом, можливе використання загальної схеми заміщення (рис. 8).

A_ш B_ш

C_щ D_ш

А_н B_н

С_н D_н

А_к B_к

С_к D_к

H

Z_р

Н

К

РЛ

r_{и max}= 

Рис. 9. Загальна схема заміщення рейкового кола у шунтовому режимі

В наведеної схеми – допустима напруга джерела живлення при шунті.

Для зручності в експлуатації усі рейкові кола мають мінімальну шунтову чутливість на кінцях, тому розрахунки критеріїв шунтового режиму виконуються для двох варіантів знаходження поїзного шунта: на живлячому та релейному кінцях РК. Цим варіантам відповідають такі схеми рейкового чотириполюсника, якій заміщує рейкову лінію:

Z = z_р·l

РЛ

- шунт на живлячому кінці РК

A_шп B_шп

C _шп D_шп

_кшп

_ншп

R_ш

РЛ