Автоматизация систем электроснабжения. Электроснабжение, защита и автоматика устройств СЦБ. Учебное пособие

же, что условия безопасности в шунтовом режиме работы РЦ ухудшаются при увеличении значений сопротивлений Rб и Rш, при этом принимается, что на практике Zб = Rб.

Одновременное выполнение условий (2.3) и (2.4), которое требуется для обеспечения нормального функционирования РЦ в двух режимах работы, носит противоречивый характер. С одной стороны, требуется, чтобы при неизменном значении напряжения Uп и нормальном режиме работы РЦ величина напряжения Uр не снижалась ниже заданного порога. С другой − для того же значения напряжения Uп в шунтовом режиме работы РЦ требуется иметь как можно меньшую величину напряжения Uр. Причем эти условия должны выполняться для всего комплекса параметров РЦ и при всех условиях эксплуатации. Подобная противоречивость обусловливает значительные трудности в обслуживании РЦ. В частности, требуется сезонная настройка РЦ, выполняемая в соответствии с нормативными инструкциями несколько раз в год, что, однако, не всегда обеспечивает надежную работу РЦ. Малые сопротивления Rб, которые имеют место на участках с интенсивной перевозкой химически активных грузов, вызывают необходимость экономически нерационального сокращения длин РЦ. Во многих случаях для приведения значений сопротивления Rб к требуемым нормам выполняется дорогостоящая замена балласта. Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что невыполнение норм изменения напряжения Uп также вносит свой негативный вклад в функцию работоспособности РЦ.

Достаточно точный расчет условий потери работоспособности РЦ (как ложной занятости, так и ложной свободности) в функции изменения напряжения Uп теоретически возможен, однако практически представляет собой, как было показано ранее, чрезвычайно трудоемкую задачу. Ценность и необходимость ее точного решения вызывает сомнения в силу неопределенности исходных аргументов и большого диапазона их изменения.

Представляет интерес графическое представление областей работоспособности РЦ при помощи введенной выше обобщенной функции WРЦ рельсовой цепи (2.2), которое изображено на рис. 2.6. Здесь заштрихованная площадь графика отображает область надежного функционирования

31

РЦ в шунтовом и нормальном режимах работы. Другими словами, все значения напряжения на путевом реле Uр, лежащие внутри заштрихованной области, удовлетворяют условиям (2.3) и (2.4) в обоих режимах работы РЦ.

WРЦ

Рис. 2.6. Условное изображение области работоспособности РЦ при изменении значений обобщенной функции WРЦ и напряжения Uп

При анализе подобного представления работоспособности РЦ необходимо учитывать, что заштрихованная область может иметь иную, отличную от показанной на рис. 2.6, форму правильного эллипса. Кроме того, показанный график не является одной непрерывной функциональной зависимостью, а носит характер объединения двух различных функциональных состояний рельсовой цепи, определяющих каждое по отдельности два режима работы РЦ: нормальный и шунтовой.

На основании приведенных выше доводов по взаимосвязи напряжений Uр и Uп с параметрами функции WРЦ можно определить следующие закономерности функционирования РЦ.

Если напряжение Uп уменьшается и рабочая точка выходит за пределы заштрихованной области, что будет соответствовать значениям напряжения на ПР: Uр < Uр. пр, то это приведет к ложной занятости РЦ.

При увеличении напряжения Uп и выходе рабочей точки за пределы заштрихованной области будем иметь величину напряжения на ПР, равную Uр > Uр. отп, что равносильно появлению ложной свободности РЦ.

32

Аналогично можно рассмотреть влияние других факторов, например сопротивления балласта Rб. Этот пример иллюстрируется графиками областей работы РЦ, которые показаны на рис. 2.7, где Rб2 > Rб1.

Увеличение сопротивления балласта Rб1 → Rб2 вызывает бóльшую критичность функционирования РЦ при увеличении значений напряжения Uп в шунтовом режиме, когда может возникнуть ложная свободность РЦ. Это же увеличение сопротивления балласта позволяет обеспечить функционирование РЦ при меньших величинах напряжения Uп. Вместе с тем необходимо отметить, что площади SW областей работоспособности РЦ при изменении параметров, входящих в функциюWРЦ, не равны между собой.

Другими словами, для случая, изображенного на рис. 2.7, будем иметь:

Наиболее действенным средством расширения областей работоспособности РЦ является стабилизация напряжения переменного тока Uп, а любое изменение этого напряжения приводит к уменьшению разрешенных значений функции W.

Uп

Rб1

Rб2

WРЦ

Рис. 2.7. Перемещение области работоспособности РЦ при изменении сопротивления балласта при Rб1 < Rб2

33

Таким образом, изменение напряжения Uп вызывает изменение режимов работы РЦ, что, в свою очередь, может обусловить как ложную занятость РЦ, так и ложную свободность. Поэтому требуется тщательное согласование диапазона возможных изменений напряжения Uп с функциональными возможностями рельсовых цепей.

2.3. Влияние отклонений напряжения питания на работу аппаратуры преобразования информации

Аппаратуру преобразования информации устройств СЦБ можно разделить на две основные группы.

Кпервой из них относятся электромагнитные реле и некоторые электронные приборы, которые допускают относительно большие изменения

напряжения Uп. В такой аппаратуре увеличение напряжения питания Uп приводит к пропорциональному увеличению потребляемого тока Iп.

Кпервой группе относятся не только традиционные устройства СЦБ, обеспечивающие контроль участков пути и выполняющие соответствующие взаимодействия между стрелками и сигналами, но и такие, как ДИСК, КТСМ, УКС-ПС, АСК-ПС, САУТ и др., выполняющие функции контроля состояния подвижного состава, передачи информации и т. п.

Рассмотрим особенности работы первой группы аппаратуры СЦБ

при наличии возможных изменений напряжения Uп.

Графическая иллюстрация, показывающая области работоспособно-

сти сигнальных точек СЦБ при изменении напряжения Uп, представлена на рис. 2.8. Она определяет следующие основные закономерности.

Если напряжение питания сигнальных точек лежит в пределах допу-

стимых норм − Uп Uп min, …, Uп max, а ∆Uп = Uп max – Uп min, то для нормального функционирования устройств СЦБ должно выполняться неравенство

где ∆Uп. ном – допустимый диапазон изменения напряжения питания устройств СЦБ.

34

Рис. 2.8. Иллюстрация сравнения областей изменения напряжения Uп и функционирования аппаратуры преобразования информации

При наличии в системе электроснабжения экстремальных значений напряжения Uпэкстрmax и Uпэкстрmin желательным является выполнение условия:

Для данных, полученных по результатам измерений на одной их дорог (см. раздел 1), условие (2.7) выполнимо только при введении в аппаратуру сигнальных точек специальных стабилизаторов напряжения, которые должны обеспечить стабилизацию питающего напряжения при изменении напряжения Uп от 160 до 260 В.

Очевидно, что это справедливо для большинства железных дорог России и стран СНГ.

Если такие стабилизаторы отсутствуют, то, как было упомянуто выше, электромеханики СЦБ для обеспечения функционирования рельсовых цепей осуществляют смещение областей работоспособности. Это показано примером области напряжений Uпэкстр. ном (рис. 2.8), смещенной вверх по оси

напряжений Uп. При этом должно выполняться следующее условие:

35

По аналогии можно сделать вывод о том, что если в системе электроснабжения напряжение Uп уменьшается до значения Uпэкстр.мин, то о б-

ласть напряжений ∆Uпэкстр.ном должна быть смещена вниз. В общем случае здесь может иметь место неравенство

Таким образом, работоспособность сигнальных точек СЦБ может быть практически реализована. Однако при существующих реальных показателях качества питающего напряжения Uп она обеспечивается путем принятия нестандартных мер, которые во многих случаях противоречат правилам эксплуатации, вызывают задержки поездов и могут в некоторых случаях нарушать условия безопасности движения. Практически это выражается, например, в установке временных обходных кабельных перемычек электроснабжения и т. д.

В разделе 1 показано, что существует несколько объективных причин значительной нестабильности напряжения питания Uп сигнальных точек СЦБ, определяемой первичными источниками электроснабжения.

Для обеспечения работоспособности сигнальных точек СЦБ необходимо, чтобы при всех дестабилизирующих воздействиях полного входного сопротивления i-й сигнальной точки при свободности и занятости i-й рельсовой цепи выполнялось условие (2.6). Практика показывает, что это не всегда выполнимо, что подтверждается также данными графика рис. 1. и табл. 1.1.

Наиболее радикальным средством выполнения условия (2.6) является реализация принципа стабилизации напряжения Uпi непосредственно на входе каждой сигнальной точки. Первая попытка использования стабилизирующих устройств в системе электроснабжения сигнальных точек СЦБ была реализована в трансформаторной подстанции КТПОЛ-1,25/10(6)- 0,22У1, эксплуатирующейся на ряде железных дорог. Стабилизация напряжения в ней осуществляется путем переключения отводов вторичной

36

обмотки линейного трансформатора при помощи двух симисторных ключей, что позволило получить двухпозиционное дискретное регулирование выходного напряжения. Кроме того, эта подстанция выполняет ряд дополнительных функций, повышающих надежность работы системы электроснабжения.

Однако, как показал практический опыт эксплуатации этой подстанции в существующих системах электроснабжения устройств СЦБ, двухпозиционный принцип регулирования не обеспечивает требуемой стабильности напряжения Uп при всех воздействиях дестабилизирующих факторов. При сохранении прежнего дискретного принципа регулирования требуется увеличение количества позиций переключения, а это приводит к усложнению устройства стабилизации. Кроме того, использование дискретного принципа переключения переменного напряжения вызывает определенные трудности в выполнении норм коммутационных режимов полупроводниковых приборов. Поэтому более рациональным является реализация режима стабилизации напряжения при помощи известных непрерывных методов регулирования, причем в качестве регулятора необходимо применять высокочастотные импульсные стабилизаторы напряжения, КПД которых мало зависит от диапазона изменений входного напряжения трансформаторной подстанции.

Вторая группа содержит аппаратуру, для которой стабильность напряжения Uн питания электронных элементов, например интегральных микросхем (ИМС), является одним из основных факторов надежного функционирования. Это определяет введение в аппаратуру стабилизирующих ИВЭП с импульсным высокочастотным преобразованием электрической энергии. Для таких схем отличительным свойством является относительная независимость КПД от напряжения Uп. При равных потребляемых мощностях с увеличением напряжения Uп происходит уменьшение потребляемого тока Iп и, наоборот, его увеличение – при уменьшении напряжения Uп. Ко второй группе аппаратуры относятся практически все новые и перспективные микроэлектронные системы, внедрение которых происходит на железнодорожном транспорте в настоящее время.

37

2.4. Влияние отклонений напряжения питания на работу ламп накаливания светофоров

Работоспособность ламп накаливания и видимость сигнала светофоров в значительной степени определяется напряжением Uп. Например, увеличение на 10 % напряжения их питания сокращает срок службы лампы в 4 раза, т. е. вместо установленных 1000 ч. горения она работает только 250 ч. В то же время понижение напряжения на лампе с 12 до 9 В уменьшает видимость сигнала на 35 %, что может отразиться на безопасности движения.

Практически при показанном на гистограмме (рис. 1.2) относительном числе отказов светофоров количество отказавших ламп накаливания составляет 62 %. Это обусловило введение на сети дорог специальных двухнитевых ламп накаливания, которые имеют довольно сложные схемы управления. Однако использование этих ламп не решает полностью проблемы повышения надежности функционирования светофоров, поскольку гарантированная длительность функционирования резервной нити накала (после отказа основной нити) примерно в 6 раз меньше, чем основной. При этом необходимо учитывать, что повышение качества напряжения питания ламп накаливания снижает эксплуатационные расходы на содержание светофоров.

Таким образом, работоспособность светофоров существенно зависит от параметров напряжения Uп, и наиболее действенным средством повышения надежности их функционирования является стабилизация напряжения питания ламп накаливания. Другим известным направлением повышения надежности функционирования светофоров является использование в них светодиодных матриц, находящихся в настоящее время лишь на начальной стадии разработки и внедрения, в то время как в подавляющем большинстве светофоров на сети дорог используются традиционные лампы накаливания, надежность работы которых требуется обеспечивать.

38

РАЗДЕЛ 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

НАПРЯЖЕНИЙ, ПИТАЮЩИХ УСТРОЙСТВА СЦБ

Стабильность напряжений на входах устройств СЦБ зависит от электрических параметров элементов систем электроснабжения, куда входят подстанции, выступающие в качестве первичного источника электропитания, ВЛ СЦБ, линейные трансформаторы ОЛ и другие компоненты систем. Поэтому целесообразно рассмотреть электрические процессы, происходящие в полной системе электроснабжения.

3.1. Нормальный и аномальный режимы работы систем электроснабжения устройств СЦБ

Эквивалентная схема системы электроснабжения сигнальных точек СЦБ (рис. 3.1) состоит из нескольких элементов: ячейки фидера СЦБ, кабельной вставки, опор ВЛ с разъединителями и ограничителями перенапряжений (ОПН) и воздушной линии с линейными трансформаторами ОЛ- 1,25/6 (10). Все эти элементы далеко не идеальны и обладают соответствующими электрическими параметрами: активными и реактивными сопротивлениями.

Функциональным назначением рассматриваемой системы электроснабжения является преобразование напряжения ЛЭП 110 кВ в трехфазное напряжение 6 (10) кВ, передаваемое по ВЛ СЦБ на линейные трансформаторы ОЛ-1,25/6 (10) кВ, устанавливаемые непосредственно у сигнальных точек СЦБ, устройств переездной сигнализации и т. п.

В нормальном режиме работы ВЛ СЦБ ток каждой фазы состоит из суммы нескольких составляющих: Iрв – ток утечки через разрядники или ОПН; Iф-з – активно-емкостная составляющая тока, обусловленная наличием активного сопротивлений и емкости между проводниками фаз, между

39

ВВ

С С

Рис. 3.1. Эквивалентная схема системы электроснабжения сигнальных точек СЦБ

40