3. Електричні рейкові кола.

Рейковим колом називають сукупність рейкової лінії та апаратури, яка підключається до неї на початку та кінці. Рейкові кола є основним елементом багатьох пристроїв залізничної автоматики і телемеханіки. За допомогою рейкових кіл визначається вільність блок-ділянок на перегонах та станційних ділянок; контролюється цілісність рейкових ниток; передається інформація про показання колійних світлофорів на локомотив для роботи автоматичної локомотивної сигналізації; забезпечується ув'язування між світлофорами в кодових системах автоблокування; виключається переведення стрілок у пристроях електричної централізації при знаходженні на них рухомих одиниць; здійснюється сигналізація про наближення поїздів до переїздів і управління автошлагбаумами; контролюється на диспетчерському посту та на посту чергового станції стан блок-ділянок на перегонах і приймально-відправних коліях і т.д. Уперше рейкові кола були застосовані в 1872 р. у США.

Рейкове коло (Рис. 3.1) складається з:

– рейкової лінії, яка має рейкові нитки 11 зі стиковими з'єднувачами 10, ізолюючі стики 9, які забезпечують електричну розв’язку суміжних рейкових кіл;

– апаратури живильного кінця, яка складається з регульованого резистора 5, що знаходиться в релейній шафі 4, пристроїв живлення – акумулятора 3 та випрямляча 1, розміщених у батарейній шафі 2;

– апаратури релейного кінця, яка містить приймач – колійне реле 16, розташоване в релейній шафі 15.

Апаратура живильних і релейного кінців у релейних шафах з'єднується з кабельними стійками 7, 13, жилами кабелю 6, 14 і далі сталевими тросами 8, 12 з рейковими нитками.

Рис. 3.1 Схема рейкового кола постійного струму з неперервним живленням

При вільному стані рейкового кола (рис. 3.2, а) струм акумуляторної батареї протікає рейковою лінією і замикається через обмотку колійного реле П. Реле збуджене і його спільний та фронтовий контакти замкнуті між собою, що говорить про вільність і справність ділянки рейкового кола, обмеженого ізолюючими стиками. Коли рухомий склад вступає на рейкове коло (рис. 3.2, б), рейкові нитки закорочуються через малий опір скатів рухомого складу, що знижує струм в обмотках колійного реле до значення струму відпускання, останнє відпускає якір і, відповіджно, замикаються його спільний і тиловий контакти. Зниження струму в обмотках реле під дією колісних пар рухомого складу називають шунтовим ефектом, а колісні пари – поїзним шунтом.

а)	в)
	Рис. 3.2 Схеми, які пояснюють роботу рейкового кола в нормальному (а), шунтовому (б) та контрольному (в) режимах
б)

Колійне реле фіксує не тільки зайнятість рейкового кола рухомим складом, але й електричну цілісність рейкових ниток колії. У випадку зламу, або вилучення рейки (рис. 3.2, в) порушується коло протікання струму колійного реле, останнє відпускає якір, фіксуючи несправність рейкової лінії. Властивість рейкового кола контролювати справність рейкових ниток називають чутливістю до зламу рейки.

Порушення цілісності рейкової лінії знижує струм у колійному реле до певного кінцевого значення, а не до нуля. Це пояснюється тим, що рейкова нитка до і після місця обриву має кінцевий опір відносно землі (опори та), які створюють коло для протікання струму в обхід місця пошкодження.

Різноманіття видів рейкових кіл викликане прагненням забезпечити безпеку руху в конкретних умовах експлуатації при найбільш надійних технічних рішеннях, які вимагають мінімальних засобів на устаткування й обслуговування пристроїв.

За принципом діїрейкові кола підрозділяють на нормально замкнуті і нормально розімкнуті. У нормально замкнутого рейкового кола (див. рис. 3.1) при вільному і справному його стані колійне реле знаходиться під струмом. При всіх можливих пошкодженнях елементів, апаратури та рейкової лінії (обриви, короткі замикання, зникнення живлення) та вступанні рухомого складу на рейкове коло, колійне реле відпускає якір. Таким чином, нормально замкнуті рейкові кола при пошкодженнях елементів не можуть дати помилкову інформацію щодо її вільності, тому вони знаходять саме широке застосування.

Рис. 3.3 Схема нормально розімкнутого рейкового кола

У нормально розімкнутого рейкового кола (рис. 3.3) джерело живлення і приймач розташовані на одному кінці кола. При вільності рейкового кола колійне реле знеструмлене, оскільки напруга живлення 230 В повністю буде прикладене до первинної обмотки 1-2 трансформатора Тр, який працює в режимі холостого ходу. Коли поїзд вступає на рейкове коло, вторинна обмотка трансформатора 3-4 замикається скатами, опір обмотки 1-2 різко падає і значна частина напруги живлення прикладається до резистора Н1 та колійного реле П, останнє збуджується.

Для такого рейкового кола зникнення живлення, пошкодження ряду елементів апаратури, розрив рейкової лінії спричиняють те, що колійне реле може залишитися в знеструмленому стані при наявності поїзда на контрольованому рейковому колі. Дане рейкове коло має небезпечні відмови, оскільки при його фактичній зайнятості і наявності пошкоджень може видаватися помилкова інформація щодо його вільності. Нормально розімкнуті рейкові кола використовують тільки на коліях сортувальних гірок з низькими швидкостями руху. Позитивною властивістю цих рейкових кіл є висока швидкодія.

За родом сигнального струмурейкові кола поділяють на рейкові кола постійного та змінного струму.

Рейкового кола постійного струму (див. рис. 3.1) застосовують на ділянках з автономною тягою при відсутності в рейках струмів від джерел завад (із електричного транспорту, блукаючих струмів) та при нестабільному енергопостачанні. Основна їхня перевага – можливість резервування живлення при застосуванні акумуляторів.

Рейкові кола змінного струму застосовують на електрифікованих лініях постійного і змінного струму та при автономній тязі. Найширше застосовуються рейкові кола з частотою сигнального струму 25 та 50 Гц. Сигнальна частота 25 Гц призначена для усіх видів тяги, а 50 Гц — для автономної тяги й електротяги постійного струму (сигнальна частота і частота тягового струму повинні бути різними). Джерелом живлення 50 Гц є трансформатор, який підключений до електричної мережі, а 25 Гц - параметричний перетворювач, який ділить частоту мережі на два. Розробляються та впроваджуются також рейкові кола з підвищеною частотою сигнального струму в діапазоні 50‑500 Гц.

За режимом живленнярозрізняють рейкові кола з неперервним, імпульсним і кодовим живленням. При постійному живленні джерело живлення постійно під’єднане до рейкової лінії (див. рис. 3.1), а при імпульсному і кодовому живленні джерело живлення під’єднюється до рейкової лінії періодично через контакти маятникового або кодового колійного трансмітера (см рис. 1.21, 1.22). У рейкових колах з постійним живленням при шунтуванні або зламі рейки струм у приймачі повинен знижуватися до струму відпускання колійного реле. В імпульсному і кодовому рейковому колах імпульсне колійне реле періодично збуджується і знеструмлюється і необхідною умовою формування інформації про вільності рейкового кола є його збудження. При шунтуванні або ушкодженні рейкової лінії струм в імпульсному колійному реле повинен знижуватися до струму, меншого струму його спрацьовування. Імпульсна робота реле припиняється. Оскільки струм спрацьовування реле більший струму відпускання, то чутливість імпульсних і кодових рейкових кіл до шунта і зламу рейки вища, ніж рейкових кіл з неезперервним живленням. Крім того, імпульсний і кодовий режими — ефективний спосіб захисту від небезпечних ситуацій при неперервних завадах тягового струму та інших сторонніх джерел.

Перевагою рейкових кіл з постійним живленням є їх вища надійність, оскільки в них відсутні прилади, які працюють у несприятливому з погляду надійності імпульсному режимі.

За типом колійного приймачарозрізняють рейкові кола з одноелементним і двохелементним (фазочутливим) приймачами. Одноелементний приймач має релейну статичну характеристику і реагує тільки на амплітуду вхідного сигналу Двохелементний приймач, має два сприймаючі елементи; на один з них (колійний) надходить робочий сигнал з рейкової лінії. Амплітуда і фаза цього сигналу визначаються станом рейкової лінії. На інший сприймаючий елемент (місцевий) надходить сигнал, незмінний за амплітудою та фазою. Між сигналами, які подаються на шляховий і місцевий елементи, повинні бути строго визначені фазові співвідношення. Такий приймач реагує на амплітуду і фазу сигналу, прийнятого з рейкового кола. При зменшенні амплітуди нижче напруги відпускання або при відхиленні фази від ідеальної на деякий кут колійний приймач фіксує зайнятість або несправність рейкового кола.

Рис. 3.4 Схема енергопостачання електровоза

За способом пропускання зворотного тягового струму в обхід ізолюючих стиків розрізняють двохниткові та однониткові рейкові кола. Тяговий струм від тягової підстанції ТП подається до електровозів Е контактним провідникм КП через струмоприймачі П, а повертається до підстанції рейковими нитками Р та земллею З (рис. 3.4). Тому необхідно створити шлях для протікання зворотного тягового струму рейками в обхід ізолюючих стиків. У двонитковних рейкових колах (рис. 3.5) неперервність кола для протікання тягового струму створюється за рахунок дросель-трансформаторів ДТ (два для кожної пари ізолюючих стиків), у яких, для суміжних рейкових кіл, середні крапки основних обмоток, під’єднаних до рейок, з’єднуються між собою. Тягові струми першої I_Т1 та другої I_Т2 рейок протікають через півобмотки ДТ у протилежних напрямках і створюють у сердечнику ДТ магнітні потоки, які напрямлнні зустрічно. Тому підмагнічування сердечника ДТ не відбувається (відбувається тільки при асиметрії струмів обмоток). Сигнальний струм I_С протікає через основну обмотку ДТ в одному напрямку, унаслідок чого на ній створюється падіння напруги, яке й використовується для роботи рейкового кола. Додаткові обмотки ДТ — 2' та 2" — підключають до апаратури живильних і релейного кінців рейкового кола

а)	б)
Рис. 3.5 Схема протікання тягового струму в двохниткових (а) та однониткових (б) рейкових колах

Основними деталями дросель-трансформатора (рис.2.6, б)єчавуннийкорпус1, сердечникзярмом2, основна обмотказвиводами3, додатковаобмотка с виводами4. Апаратура рейковихкілпід’єднюєтьсядододатковоїобмоткидросель-трансформатора за допомогоюкабелю,який заводиться в муфту5,що закріпленана корпусідросель-трансформатора.

Перед встановленнямдросель-трансформатора вйого кожух заливаютьтрансформаторне масло (дляпокращенняізоляціїтаохолодження обмоток) дорівня заливного отвору 6. Для зливання відпрацьованого трансформаторного масла використовуються пробки 7.

а)	б)
Рис. 3.6 Загальний вигляд встановлених дросель-трансформаторів (а) та конструкція (б).

В однониткових рейкових колах (рис. 3.5, б) тяговий струм пропускається однією рейковою ниткою кожного рейкового кола. Однониткові рейкові кола простіші за конструкцією, ніж двохниткові, але більше піддаютья впливові тягового струму, тому їх застосовують тільки на бічних некодованих станційних коліях при довжинах рейкових кіл не більше 650 м та на некодованих стрілочних секціях. В інших випадках на станціях і завжди на перегонах застосовують двохниткові рейкові кола.

У залежності від конфігурації рейкової лінії розрізняють нерозгалужені і розгалужені рейкові кола. Розгалужені рейкові кола застосовують на ділянках колії, які містять стрілки. Вони можуть мати кілька шляхових приймачів, кожен з яких контролює вільність та справність свого відгалуження. У схему контролю розгалуженого рейкового кола послідовно вмикають фронтові контакти всіх колійних реле.

Існує ще цілий ряд ознак, за якими можна класифікувати рейкові кола, зокрема, за способом контролю короткого замикання ізолюючих стиків (рис. 3.7). На схемі показані два сусідніх рейкових кола з апаратурою живильного АП та релейного АР кінців при наявності досить частого в практиці пошкодження – короткого замикання ізолюючих стиків між ними. У цьому випадку є небезпека спрацювання колійного реле першого рейкового кола при фактичній зайнятості ділянки колії, яка ним контролюється (при наявності на цьому рейковому колі поїзного шунта), від джерела живлення сусідньої блок-ділянки.

Рис. 3.7 Схема, яка пояснює коротке замикання ізолюючих стиків