3.5. Методы расчета рельсовых цепей

Общей целью расчета является расчет источника питания конкретной РЦ заданной длины и проверка выполнения всех режимов работы по принятым критериям [1,13].

Расчет проводится отдельно для каждого режима.

Расчет нормального режима

Задачи расчета нормального режима:

а) выбор напряжения, тока и мощности источника питания;

б) проверка работоспособности РЦ в нормальном режиме по критерию перегрузки путевого приемника при выбранном напряжении питания.

Исходные данные для расчета:

• ток и напряжение надежного срабатывания путевого приемника;

• принципиальная схема РЦ и параметры элементов;

• удельное сопротивление рельсов для заданной частоты сигнального тока;

• минимальное удельное сопротивление изоляции рельсовой линии;

• длина рельсовой цепи.

Алгоритм расчета

а) Расчет источника питания

1. Рассчитать в соответствии с формулами (3.10, 3.11, 3.12) коэффициенты четырехполюсника рельсовой линии с учетом условий, наихудших для нормального режима.

2. Определить коэффициенты четырехполюсников Н и К(см. рис. 3.1) по принципиальным схемам и параметрам элементов.

3. Вычислить рабочие значения напряжения и тока приемника в соответствии с (3.1). При этом аргумент тока приемника принимается равным нулю, а аргумент напряжения – аргументу комплексного сопротивления приемника.

4. По значениям иопределить через коэффициенты четырехполюсников с использованием уравнений (3.7) ток и напряжение питания РЦ. Полученные значения являютсяминимальными значениями и для выполнения нормального режима.

5. Очевидно, что при колебаниях напряжения сети нормальный режим рельсовой цепи может быть нарушен. Поэтому необходимо определить номинальное напряжения питания РЦ, обеспечивающее выполнение нормального режима при уменьшении напряжения сети

,

где - коэффициент нестабильности источника питания при снижении напряжения сети от номинального значения к минимальному. Для трансформаторов принимается; для преобразователей частоты типа ПЧ50/25 –(так как преобразователь обладает свойством стабилизатора напряжения).

6. По справочным данным выбрать ближайшее большее фактическое напряжение , которое может быть получено на выходе выбранного источника питания. Эта величина и будет напряжением питания рельсовой цепи.

7. Определить фактический ток , потребляемый рельсовой цепью при этом напряжении,

,

где - коэффициент градации, характеризующий увеличение фактического напряжения питания РЦ по сравнению с номинальным из-за конструктивных особенностей источника питания.

8. Определить фактическую потребляемую мощность

.

9. Проверить соответствие полученных значений справочным данным выбранного источника питания по допустимой мощности и току.

б) Расчет перегрузки приемника

1. Выбрать из справочника или рассчитать в соответствии с (3.2) допустимый коэффициент перегрузки приемника .

2. Определить фактический коэффициент перегрузки приемника одним из следующих способов:

• ,

где - максимальное напряжение, которое возникает на приемнике при наилучших для нормального режима условиях. Это напряжение может быть вычислено на основании уравнений (3.7) для z=z_min, r_и=∞ с учетом того, что напряжение питания РЦ из-за колебания напряжения в сети увеличилось в 1,07 раза.

• ,

где - коэффициент нестабильности источника питания при изменении напряжения сети от минимального значения к максимальному (для трансформаторов принимается= 1,25; для преобразователей частоты= 1,05);

- модуль комплекса максимального сопротивления передачи схемы замещения (при и);

- модуль комплекса минимального сопротивления передачи схемы замещения (при и).

и определяются по формулам (3.8) или (3.9) для соответствующих значений коэффициентов рельсового четырехполюсника.

3. Проверить условие . Если оно выполняется, следовательно, рельсовая цепь удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ней в нормальном режиме.

Расчет шунтового режима

Задача расчета шунтового режима заключается в проверке условия выполнения шунтового режима по критерию абсолютной шунтовой чувствительности (3.3) или по коэффициенту шунтовой чувствительности (3.5).

Основные исходные данные для расчета:

• напряжение питания рельсовой цепи U_ф, полученное при расчете нормального режима;

• параметры аппаратуры и рельсовой линии;

• коэффициент возврата путевого приемника;

• напряжение срабатывания (для РЦ с импульсным питанием) или напряжение отпускания (для РЦ с непрерывным питанием) путевого реле.

а) Непосредственный метод расчета шунтового режима

Формула для определения шунтовой чувствительности была выведена исходя из следующего условия – сопротивление передачи рельсовой линии при наложении шунта при наихудших условиях должно увеличиться до такого значения, которое обеспечивает уменьшение напряжения на путевом приемнике до величины надежного несрабатывания.

До наложения шунта сопротивление передачи рельсовой цепи определяется по схеме замещения РЦ в нормальном режиме при условиях, наихудших для шунтового режима (рис. 3.3).

Индексы "0" для переменных этой схемы означают, что соответствующие переменные определяются при удельной проводимости изоляции рельсовой линии (удельное сопротивление изоляции ).

После наложения шунта в произвольной точке рельсовой линии схема замещения принимает вид, показанный на рис. 3.4.

В этой схеме параметр p является относительной координатой точки наложения шунта и определяется по формуле

,

где x_ш – расстояние от конца рельсовой линии до точки наложения шунта;

-длина РЦ.

Видно, что параметр p изменяется от 0 (при наложении шунта на релейном конце рельсовой линии) до 1.

Составив выражения для сопротивлений передачи в первом и втором случаях и решив их относительно переменнойR_ш,можно получить расчетное уравнение шунтовой чувствительности рельсовой цепи с одноэлементным приемником при наложении шунта в произвольной точке рельсовой линии

, (3.13)

где - эквивалентное сопротивление рельсовой цепи относительно точек наложения шунта. Его величина равна сопротивлению параллельно включенных и (входное сопротивление в сторону питающего конца и входное сопротивление в сторону релейного конца РЦ относительно точек наложения шунта) (см. рис. 3.4)

;

Z – сопротивление рельсов, Z =z·ℓ;

Z_поо – сопротивление передачи основной схемы замещения в нормальном режиме при ;

- приведенный коэффициент надежного возврата приемника, учитывающий все внешние факторы, которые принимаются при расчетах для повышения достоверности выполнения режимов работы РЦ

,

- коэффициент возврата путевого приемника. При импульсном питании рельсовой цепи =1;

δ – аргумент комплексного сопротивления .

Если во всех точках R_шх≥0,06 Ом, рельсовая цепь удовлетворяет требованиям к шунтовому режиму.

Анализ формулы (3.13) позволяет сделать следующие выводы:

1. Величина шунтовой чувствительности зависит от модуля и аргумента эквивалентного сопротивления и, следовательно, зависит не только от параметров аппаратуры РЦ и параметров рельсовой линии, но и от точки наложения шунта.

2. При увеличении сопротивлений по концам рельсовой линии шунтовая чувствительность увеличивается.

3. Шунтовая чувствительность снижается при увеличении фактического коэффициента перегрузки путевого приемника . Наиболее существенное влияние при этом оказывает диапазон изменения сопротивления изоляции РЛ.

4. Реальный путь повышения шунтовой чувствительности в традиционных РЦ – повышение приведенного коэффициента надежного возврата путевого приемника (повышение коэффициента возврата за счет совершенствования путевых реле или разработки электронных путевых приемников, импульсное питание РЦ, стабилизация напряжения питания).

Формула (3.13) является удобной для анализа работы РЦ в шунтовом режиме, но сложной для проведения расчетов. Поэтому чаще пользуются косвенным методом расчета шунтовой чувствительности РЦ.

б) Косвенный метод расчета шунтового режима

При косвенном методе расчета определяют коэффициент шунтовой чувствительности (коэффициент чувствительности к нормативному шунту) . В зависимости от имеющихся данных можно воспользоваться одной из зависимостей (3.4) или формулой, вытекающей из (3.4),

,

где - минимальное сопротивление передачи основной схемы замещения в шунтовом режиме (при наложении нормативного шунта в наихудшей точке);

- сопротивление передачи основной схемы замещения в нормальном режиме при .

Если условие выполняется, данная рельсовая цепь соответствует требованиям к РЦ в шунтовом режиме.

Для определения ординаты наихудшей точки (точки, при наложении шунта в которой шунтовая чувствительность является минимальной) необходимо воспользоваться данными, полученными в результате анализа шунтового режима РЦ (см. п. 3.7).

Расчет контрольного режима

Задача расчета контрольного режима заключается в проверке условия выполнения контрольного режима по критерию чувствительности к повреждению рельса.

Основные исходные данные для расчета:

• напряжение питания РЦ, полученное при расчете нормального режима;

• параметры аппаратуры и рельсовой линии;

• частота сигнального тока;

• коэффициент возврата путевого приемника;

• напряжение срабатывания (для РЦ с импульсным питанием) или напряжение отпускания (для РЦ с непрерывным питанием) путевого реле;

• постоянная (коэффициент) земляного тракта Е;

• коэффициент поверхностной утечки (проводимости) m.

Коэффициент чувствительности к повреждению рельса аналогично шунтовому режиму может быть определен по зависимостям (3.6) или по формуле

,

где - минимальное сопротивление передачи основной схемы замещения в контрольном режиме (при изломе рельса в наихудшей точке).

При расчете контрольного режима наиболее сложным является определение коэффициентов четырехполюсников рельсовой линии, которые вычисляются в соответствии с выбранной схемой замещения РЛ в этом режиме. Очевидно, что схема замещения должна быть достаточно простой для использования в инженерных расчетах, но, с другой стороны, должна достаточно точно отражать реальную работу РЦ в этом режиме.

В контрольном режиме необходимо учитывать не только утечки тока между рельсами по шпалам, балласту и земле, но и утечки по балласту в обход места излома рельса, а также утечки в обход места излома по полуобмоткам дроссель-трансформаторов смежных РЦ и земле. В соответствии с этим считают, что каждый рельс имеет свои обратные токи утечки. Поэтому в контрольном режиме схему замещения РЛ рассматривают в виде двух контуров "рельс-земля", связанных между собой индуктивно.

Это привело к получению громоздких формул для определения коэффициентов рельсового четырехполюсника в контрольном режиме. Причем вид этих формул зависит от координаты места излома рельса. Для инженерных расчетов используются упрощенные формулы для случая излома рельса в середине рельсовой линии.

Значения коэффициентов A_кп,В_кп, C_кпиD_кп в указанных формулах зависят не только от сопротивления рельсов, сопротивления изоляции рельсовой линии и ее длины, но и от таких параметров, как постоянная земляного тракта Е и коэффициент поверхностной утечки m, а также зависят от наличия или отсутствия дроссель-трансформаторов на релейном и питающем концах рельсовой линии.

Постоянная земляного тракта Е – это коэффициент, учитывающий взаимную индукцию между рельсами и зависящий от частоты сигнального тока. Коэффициент поверхностной утечки m учитывает соотношение проводимости между двумя рельсами и проводимости между рельсом и землей; его величина определяется типом шпал и материалом балласта.

Выполнение условия свидетельствует о соответствии РЦ требованиям контрольного режима.

Указанные расчеты должны проводиться для наихудшей точки излома рельса и при критическом значении сопротивления балласта (см. п. 3.7).

Расчет режима АЛС

Задача расчета:

а) Для кодовых РЦ – определить величину тока в рельсах в конце рельсовой линии при нахождении там шунта при заданном напряжении питания РЦ и наихудших условиях. При необходимости рассчитать требуемое напряжение питания РЦ по условию выполнения режима АЛС и величину ограничивающего сопротивления на релейном конце.

б) Для кодируемых РЦ (не кодовые рельсовые цепи с наложением сигналов АЛС) – провести расчет источника питания кодового тока АЛС.

Исходные данные:

1. Величина нормативного тока АЛС.

2. Принципиальная схема и параметры элементов рельсовой цепи.

3. Удельное сопротивление рельсов, минимальное удельное сопротивление балласта и длина рельсовой линии.

4. Для задачи по п. (а) – величина напряжения питания рельсовой цепи, полученная при расчете нормального режима.

а) В кодовой рельсовой цепи источник питания является общим для контроля ее состояния и для передачи информации на локомотив. Поэтому для решения первой задачи необходимо проверить, обеспечит ли источник питания, рассчитанный по условию нормального режима, необходимый ток АЛС.

Схема замещения для режима АЛС представлена на рис. 3.5.

При расчетах РЦ в режиме АЛС определяют модуль тока в конце рельсовой линии

,

где - напряжение питания РЦ, рассчитанное в нормальном режиме, при минимальном напряжении сети;

Z_пл – сопротивление передачи рельсовой цепи в режиме АЛС при сопротивлении шунта R_ш=0,06 Ом.

Входное сопротивление , поэтому им можно пренебречь. Тогда К_ткл=1 и формула (3.9) с учетом (3.8) примет вид

.

Если , то необходимо увеличить напряжение питания РЦ в раз.

Для устранения перегрузки путевого приемника, которая может при этом возникнуть, необходимо увеличить дополнительное сопротивление на релейном конце.

После этого потребуется заново проверить выполнение шунтового и контрольного режимов, поэтому расчет режима АЛС рекомендуется проводить после расчета нормального режима.

Иногда оценку режима АЛС удобнее проводить по критерию

где -модуль напряжения питания РЦ, обеспечивающего нормативный ток АЛС в конце РЛ при наложении нормативного шунта при условиях, наихудших для режима АЛС.

Для выполнения режима АЛС должно соблюдаться условие .

б) Для не кодовых рельсовых цепей (РЦ наложения) проводится расчет источника питания для режима АЛС независимо от других режимов работы. При этом используется схема замещения рельсовой цепи в режиме АЛС (см. рис. 3.5).

При расчете РЦ с фазочувствительными приемниками применяют рассмотренные выше критерии и методы, но с учетом того, что вращающий момент, действующий на сектор путевого реле, зависит не только от амплитуды сигнала, но и от фазовых соотношений напряжений местной и путевой обмоток. Приведенные выше формулы справедливы для фазочувствительных РЦ при обеспечении идеальных фазовых соотношений. В реальных условиях фаза напряжения на путевой обмотке реле отличается от идеальной из-за изменения параметров рельсовой линии при внешних воздействиях (погодные условия, наложение шунта, излом рельса), а также из-за разброса параметров элементов РЦ. Отклонение фазы от идеальной ухудшает условия выполнения нормального режима и благоприятствует шунтовому и контрольному режимам. Поэтому необходимо принимать

; ;

; .

где ,и - угол отклонения от идеальных фазовых соотношений (угол расстройки реле) соответственно в нормальном, шунтовом и контрольном режимах.