Системы железнодорожной автоматики и телемеханики

Министерство транспорта Российской Федерации  
Дальневосточный государственный университет путей сообщения

 

 

 

 

 

 

А. Г. Кириленко

 

 

 

 

 

 

 

СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ  АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хабаровск

2005

 

 

 

Введение

 

Рельсовой цепью называется электрическая цепь, проводниками которой служат рельсовые нити пути.

Рельсовые цепи (РЦ) являются основным звеном современных систем управления движением поездов. На железных дорогах они выполняют функции путевого датчика информации о состоянии рельсового пути, а также телемеханического канала непрерывной передачи информации при автоблокировке, автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа, электрической централизации, диспетчерской централизации

Как путевой датчик РЦ используется в пределах перегонов и станций для получения первичной дискретной информации о состояниях путевых участков, на основе которой автоматизируется процесс интервального регулирования движением поездов и повышается его безопасность.

В качестве путевого телемеханического канала РЦ широко используется для установления беспроводной логической связи между смежными исполнительно-распорядительными пунктами (сигнальными точками) в кодовой автоблокировке и передачи оперативной информации с пути на локомотив в системах автоматической локомотивной сигнализации.

Рельсовые цепи широко применяются в автоматических ограждающих устройствах, обеспечивающих безопасность движения поездов и автотранспорта в зоне переездов; в системах автоматического диспетчерского контроля, повышающих эффективность работы диспетчерского персонала; в горочной автоматической централизации, позволяющей автоматизировать процесс расформирования составов на сортировочных горках; в системах автоматического контроля перегона в комплексе путевой полуавтоматической блокировки, способствующей повышению пропускной способности участков и безопасности движения поездов.

Рельсовые цепи имеют  более чем вековую историю, и  их практика и теория связаны с  историей возникновения и развития железнодорожного транспорта и, в частности, с историей сигнализации. И до настоящего времени многочисленные попытки заменить РЦ более совершенными средствами не дали ожидаемых результатов. Трудно или практически невозможно получить в других устройствах такие свойства РЦ, как надёжное и практически безошибочное фиксирование свободности и занятости путевых участков подвижным составом, не оборудованным специальными устройствами. Или при исследовании его с неисправными устройствами, автоматический контроль рельсовых нитей, автоматическое восстановление нормальной и безопасной работы без специальных запоминающих устройств после отключения и последующего включения источника питания или при замене аппаратуры и оборудования, непрерывная непосредственная связь между поездами и состоянием пути и ряд других преимуществ. С возрастанием скоростей и интенсивности движения поездов повышаются требования к рельсовым цепям. В настоящее время продолжаются работы по созданию новых и совершенствованию существующих РЦ.

 

Целью данной курсовой работы является расчёт основных режимов работы рельсовых цепей на примере кодовой РЦ частотой 25 Гц.

 

 

Исходные данные.

 

Коэффициент трансформации ПРТ-А  на питающем конце: n=9,15;

Сопротивление ограничивающего резистора R0=180 Ом;

Сопротивление соединительных проводов на питающем конце Rсп=0,45 Ом;

Удельное сопротивление изоляции Rиз=1,5 Ом∙км;

Сопротивление заземлений контактных опор R0=5 Ом∙км;

Длина рельсовой линии l=2,8 км;

Коэффициент трансформации ПРТ-А  на релейном конце: n=9,15;

Сопротивление соединительных проводов на релейном конце Rср=0,45 Ом;

Входное сопротивление  фильтра ФП-25, нагруженного путевым  реле типа              ИВГ-М: =200 Ом;

 

Коэффициенты четырехполюсника ИТ типа ПРТ-A для питающего конца при

n=9,15: Aип=9,15; Bип=2,4еj36 Ом; Сип=0,006е-j65 См; Dип=0,11.

 

Коэффициенты четырехполюсника ИТ типа ПРТ-A для релейного конца при

n=9,15: Aир=0,11; Bир=2,4еj36 Ом; Сир=0,006е-j65 См; Dир=9,15.

 

Коэффициенты четырехполюсника ДТ типа ДТ-1-150 питающего конца: Aдп=3;

Вдп=0,05еj35 Ом; Сдп=0,302e-j60 См; Сдп=0,333.

 

Коэффициенты четырехполюсника ДТ типа ДТ-1-150 релейного конца: Aдр=0,333;

Вдр=0,0525 еj40 Ом; Сдр=0,49e-j70 См; Сдр=3.

 

Удельное сопротивление рельсовой  петли: z= Ом/км;

Коэффициент распределения тока утечки m=0;

Коэффициент взаимоиндукции рельсов М= ;

Критическое значение комплексного числа  на f =25 Гц, при котором удельное сопротивление изоляции РЛ в контрольном режиме принимает критическое значение .

Электрические параметры  реле ИВГ-М:

Напряжение срабатывания реле В;

Напряжение отпускания якоря реле В.

Приведенный коэффициент надежного возврата путевого реле К’вн = 0,572.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кодовая рельсовая цепь частотой 25 Гц: принципиальная схема,                       назначение устройств

 

 

Принципиальная схема кодовой рельсовой цепи частотой 25 Гц приведена на          рисунке 1.

Рис.1 Схема кодовой рельсовой цепи переменного тока частотой 25 Гц

         

Рельсовые цепи питаются от преобразователя частоты ПЧ-50/25 мощностью 100 или 150 ВА, вторичная обмотка  которых секционирована, что позволяет  регулировать напряжение частотой 25 Гц в пределах от 0 до 175 В, с градацией через 5 В.

В рельсовую цепь коды, вырабатываемые датчиком кода, посылаются контактами трансмиттерного реле Т (трансмиттерной ячейки ТШ-65В).

Приборы питания размещаются  на выходном конце рельсовой цепи по ходу движения поезда, чтобы коды посылались ему навстречу и могли восприниматься приемными локомотивными катушками системы АЛСН. Для нормальной работы локомотивных устройств АЛСН необходимо, чтобы при шунтировании входного (релейного) конца рельсовой цепи и минимальном сопротивлении изоляции, кодовый ток в рельсах под приемными катушками локомотива был не менее 1,4 А.

В качестве путевого приемника  используется  реле типа ИВГ-М - импульсное герконовое реле, в котором в качестве коммутирующего элемента применен жидкометаллический (ртутный) магнитоуправляемый геркон, что позволяет увеличить срок службы путевых реле до 10 лет.

В целях повышения  надежности работы реле ИВГ-М на выходе фильтра ФП-25 (рис 1.) включаются два встречно соединенных стабилитрона Д1 и Д2 типа Д815Б, с порогом срабатывания 6,1...7,5 В.

Защита импульсного реле от мешающего влияния тягового тока асимметрии и его гармонических составляющих осуществляется фильтром типа ФП-25. Для пропуска тягового тока в обход изолирующих стыков устанавливаются дроссель-транcформаторы типа ДТ-1-150 - без воздушного зазора, с низким коэффициентом трансформации (n=3).

Для согласования высокого сопротивления аппаратуры питающего  и релейного концов рельсовой  цепи с низким сопротивлением рельсовой  линии применяются изолирующие (согласующие) трансформаторы типа ПРТ-А, с коэффициентом трансформации 9,15. Совместно с автоматическими выключателями типа АВМ-2 (5 А) они защищают аппаратуру и обслуживающий персонал от перенапряжений, которые возникают при большой асимметрии тягового тока.

Аппаратура РЦ имёет  также защиту от кратковременных импульсных перенапряжений, возникающих в рельсовой линии от ударов молнии, разрывов в цепи контактного провода и токоприемника или при коротком замыкании в контактной сети, получаемую посредством тиристорных защитных устройств типа УЗТ-1 и УЗТ-2.

В качестве ограничителя тока источника питания, в режиме короткого замыкания рельсовой линии, последовательно с преобразователем частоты устанавливается сопротивление R0. Это сопротивление также стабилизирует работу преобразователя частоты ПЧ, придавая активный характер нагрузке. При его отсутствии может происходить срыв генерации в контуре преобразователя на частоте 25 Гц за счет подключения к обмотке контура ПЧ дополнительной индуктивности нагрузки (входного сопротивления рельсовой цепи, имеющего индуктивную составляющую).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчёт коэффициентов общих четырёхполюсников питающего и                  релейного конца.

 

Для  производства расчетов  и исследования работы, кодовую рельсовую  цепь частотой 25 Гц заменим эквивалентной схемой замещения, состоящей из каскадного соединения трёх четырёхполюсников Н, Р и К.

Четырёхполюсник К замещает промежуточную и защитную аппаратуру релейного конца. Четырёхполюсник Н замещает промежуточную аппаратуру питающего конца р.ц. . При этом учитывается сопротивление проводов Rсп, Rср.

Четырёхполюсник РЛ замещает рельсовую линию.

 

Схема замещения кодовой  рельсовой цепи частотой 25 Гц представлена на                рисунке 2.

      Коэффициенты общего четырехполюсника питающего конца:

 

 

Коэффициенты общего четырехполюсника релейного конца:

 

Рассчитанные параметры  четырёхполюсников Н и К постоянные и не зависят от режимов работы рельсовой цепи.

Параметры четырёхполюсника РЛ переменные и зависят от режима работы рельсовой цепи и изменяются непрерывно вследствие воздействия климатических условий на состояние пути и, следовательно, изменения сопротивления изоляции рельсовой линии дискретно при наложении шунта либо при обрыве рельсовой нити.

2. Расчёт нормального режима.

 

Нормальный  режим – это такое состояние рельсовой цепи, когда рельсовая линия свободна от подвижного состава.

При нормальном режиме сигнальный ток  протекает от источника питания по рельсовым нитям к путевому приемнику. Путевой приемник (реле) притягивает свой якорь и замыкает фронтовые контакты, чем фиксируется отсутствие подвижной единицы на контролируемом участке пути.

Напряжение надёжного  срабатывания в нормальном режиме должно обеспечиваться на входе приёмника при наихудших условиях.

Наихудшими условиями нормального  режима являются такие, при которых  уменьшается сигнал на входе приёмника  рельсовой цепи, т.е. минимальное  напряжение источника питания, максимальное сопротивление рельсов и минимальное сопротивление изоляции.

Для расчёта нормального  режима составляем общую схему замещения:

 

   Определим вторичные (волновые) параметры рельсовой цепи: коэффициент распространения и волновое сопротивление .

 

Для схемы замещения РЦ эквивалентное  сопротивление изоляции и заземлений опор контактной сети:

Ом км;

Коэффициент распространения: 1/км;

Волновое сопротивление Ом.

 

Для рельсовых цепей переменного  тока коэффициент распространения и волновое сопротивление являются комплексными.

 

Рассчитаем коэффициенты четырёхполюсника Р.

 

Коэффициенты рельсового четырехполюсника:

;

Ом;

См.

 

Реле ИВГ обладает паспортными данными: В; В.

Учитывая особую роль путевого приёмника в рельсовых  цепях на паспортные величины вводятся дополнительные коэффициенты, повышающие надёжность работы рельсовых цепей.

С учётом этих коэффициентов получаем коэффициенты надёжного срабатывания и отпускания:  В,  В.

Тогда напряжение и ток  на входе фильтра при рабочем напряжении путевого реле: Uф=8,0 В, Iф=0,04 А.

 

 

Напряжение и ток в конце  рельсовой линии

 В;

 А.

 

Напряжение и ток в начале рельсовой линии

 В;

 А.

 

Минимальные значения напряжения и тока  ПЧ

 В;

 А.

 

ПЧ имеет градации напряжения от 5 до 175 В через каждые 5 В, поэтому принимаем В, тогда ток преобразователя равен: .   

 

Коэффициент, учитывающий наличие на зажимах питающего трансформатора градации напряжения ближайшего большего к расчётному:

 А.

 

Мощность, потребляемая рельсовой  цепью в нормальном режиме:

 ВА.

Определение коэффициента перегрузки реле

 

Критерием работы рельсовой  цепи в нормальном режиме является коэффициент перегрузки, который  представляет собой отношение фактического значения сигнала на входе приёмника к рабочему значению сигнала.

Минимальный коэффициент перегрузки имеет место при наиболее неблагоприятных условиях работы в нормальном режиме.

Наибольший фактический коэффициент  перегрузки при максимальных напряжениях источника питания и сопротивлениях изоляции рельсовой линии.

Можно сделать вывод, при которых  будет соблюдаться нормальный режим  работы р.ц.: ,

 

Всю аппаратуру четырёхполюсника К можно заменить входным сопротивлением релейного конца: ,

где - входное сопротивление фильтра ФП-25, нагруженного путевым реле типа ИВГ, которое численно равно 200 Ом.

Из этого следует: Ом.

 

Обратное входное сопротивление  питающего конца:

 Ом.

 

Обратный коэффициент  снижения в четырёхполюснике Н:

 

Коэффициент снижения тока релейного конца:

 

Тогда минимальное сопротивление  передачи определится:

,

где l – длина рельсовой линии, а Z – удельное сопротивление рельсов.

 

 Ом.

 

Максимальное сопротивление передачи определится:

 

Максимальный коэффициент перегрузки реле найдём по формуле:

 где  - коэффициент питающей сети, с учётом стабилизирующих свойств ПЧ 5%,

        - коэффициент запаса 10%.

 

 

Коэффициент перегрузки удовлетворяет данным требованиям, т.е. он не превышает паспортного =4 ( ) и выше минимального коэффициента перегрузки ( ).

Для получения рабочего напряжения на приёмнике при наихудших  условиях для нормального режима необходимо чтобы напряжение питания  рельсовой цепи было равно . Следовательно, для выполнения нормального режима требуется, чтобы фактическое напряжение питания было больше или равно .

 

 

3. Расчёт шунтового  режима.

 

Шунтовой режим - это такое состояние рельсовой цепи при котором  её путевой приёмник выдает дискретную информацию ,,занято’’ при наложении в любой точке рельсовой линии поездного шунта сопротивлением,  не меньше нормативного.

В этом режиме путевое  реле при непрерывном питании  должно надёжно отпускать якорь, а при импульсном питании исключаться срабатывание реле от импульсов тока.

Расчет шунтового режима выполняется при наихудших условиях. Неблагоприятными условиями для шунтового режима являются те, которые приводят к увеличению тока в путевом реле: максимальное напряжение источника питания, минимальное сопротивление рельсов и  сопротивление изоляции равное бесконечности.

Надёжность работы рельсовой  цепи в шунтовом режиме характеризуется  шунтовой чувствительностью, которая соответствует максимальному значению сопротивления, включение которого между рельсами приводит к шунтированию путевого реле. Критерием надёжности шунтового режима является отношение .

В кодовой рельсовой цепи 25 Гц. шунтовая чувствительность минимальна на концах рельсовой линии, поэтому достаточно определить её на питающем и релейном концах.

Схема замещения шунтового режима представлена на рисунке 5.

 

 

Расчёт шунтовой чувствительности на релейном конце.

 

Коэффициенты 4-х полюсника рельсовой линии при наложении нормативного шунта Ом:

Ом.

См.

 

Сопротивление передачи р.ц. при наложении шунта на релейном конце:

 Ом.

 

 

Максимально допустимое напряжение источника питания, при  котором реле надёжно не притягивает свой якорь при самых неблагоприятных условиях шунтового режима найдём по формуле:

 В.

 

Коэффициент шунтовой чувствительности на релейном конце:

 

Расчёт шунтовой чувствительности на питающем конце.

 

Коэффициенты 4-х полюсника  рельсовой линии при наложении  нормативного шунта  Ом:

 Ом.

  См.

 

Сопротивление передачи р.ц. при наложении шунта на питающем конце

 Ом.

 

Максимально допустимое напряжение источника питания, при  котором реле надёжно не притягивает свой якорь при самых неблагоприятных условиях шунтового режима найдём по формуле:

 В.

Коэффициент шунтовой чувствительности на питающем конце:

 

 

Коэффициент шунтовой чувствительности на питающем конце составил ,а коэффициент шунтовой чувствительности на релейном конце составил .

Как видно, коэффициент шунтовой чувствительности больше единицы, и тем самым подтверждается, что рельсовая цепь удовлетворяет требованиям шунтового режима.

 

 

 

4. Расчёт контрольного режима.

 

Контрольный режим  – это такое состояние рельсовой линии, когда повреждён или изъят рельс.

В этом режиме путевой  приёмник выдаёт дискретную информацию ,,занято’’ при полном электрическом разрыве рельсовой нити в любой точке рельсовой линии. В контрольном режиме при самых неблагоприятных условиях напряжение на входе приёмника должно снижаться до напряжения надёжного возврата.

Этот режим очень  схож с шунтовым режимом, поэтому  и неблагоприятными условиями для него будут такие, которые приводят к увеличению тока в реле. Этим условиям соответствует максимальное напряжение источника питания и минимальное сопротивление рельсов. Однако в отличие от шунтового режима неблагоприятные условия контрольного режима создаются не в случае максимального сопротивления изоляции, а при некотором критическом его значении. Значение тока в путевом приёмнике при обрыве рельсовой нити зависит от места обрыва рельса и сопротивления изоляции рельсовой линии. Критическими называются сопротивление изоляции и место обрыва, при которых ток в приёмнике рельсовой цепи оказывается максимальным.

Схему замещения контрольного режима приведена на рисунке 6.  

 

 

Критерием надёжности контрольного режима является соотношение:

где, - коэффициент чувствительности цепи к повреждённой нити.

 

 

Коэффициенты четырёхполюсника рельсовой линии при повреждении  рельса:

 

где при частоте 25 Гц.,

m=0 – коэффициент распределения тока утечки,

Е – коэффициент, учитывающий взаимоиндукцию рельс,

S1 и S2 – коэффициенты экранизации рельс.

 

Для нахождения Е воспользуемся  формулой:

,

где М – коэффициент взаимоиндукции рельсов, который равен

 

Таким образом:

,

Ом,

 Cм.

 

Сопротивление передачи:

 Ом.

 

 

Максимально допустимое напряжение источника питания, при  котором реле надёжно не притягивает свой якорь при самых неблагоприятных условиях контрольного режима найдём по формуле:

 В.

 

Тогда коэффициент чувствительности к повреждённому рельсу:

Как видно чувствительность рельсовой цепи к повреждению рельсовой нити будет тем больше, чем больше коэффициент возврата и чем меньше коэффициенты запаса на срабатывания и колебания напряжения.

При повреждении рельса р.ц. будет надёжно выдавать информацию о занятости, что следует из расчёта  коэффициента чувствительности к повреждённому рельсу , который превышает минимально допустимый.

 

 

 

5. Расчёт режима короткого  замыкания.

 

Режим короткого  замыкания – это такое состояние рельсовой цепи, когда подвижная единица находится на питающем конце рельсовой цепи.

Этот режим не является основным, при нём проверяется  лишь то, чтобы мощность короткого замыкания при максимальном напряжении не превышала его допустимую номинальную мощность источника питания.

Режим рассчитывается при  .

Схема замещения режима короткого замыкания:

Рис.7 Схема замещения  режима короткого замыкания.

 

Входное сопротивление  короткого замыкания:

 Ом.

Максимальный ток источника:

 А.

Максимальная мощность источника:

 ВА.

 

Расчётная мощность источника  питания не превышает допустимую (для ПЧ50/25-150УЗ составляет 150 ВА), что обеспечивает нормальную работу преобразователя частоты. При этом источник питания обеспечивает длительную работу рельсовой цепи в режиме короткого замыкания.

 

 

6. Расчёт режима АЛС.

 

Режим АЛС – это режим, соответствующий вступлению поезда на входной конец рельсовой цепи.

 В этом режиме  ток в рельсах под приёмными  катушками локомотива должен  быть не меньше расчётного, необходимого  для надёжной работы приёмных устройств АЛС на локомотиве. Требования этого режима совпадают с требованиями нормального режима.

Поэтому неблагоприятные  условия режима АЛС совпадают  с неблагоприятными условиями нормального  режима: минимальное напряжение источника питания, максимальное сопротивление рельсов и минимальное сопротивление изоляции.

Схема замещения режима АЛС:

Рис.8 Схема замещения  режима АЛС.

 

Критерием режима АЛС  является соотношение:  ,

где, -коэффициент режима АЛС;

- фактический минимальный ток  в рельсовой линии при наложении  шунта на удалённом от генератора кодовых сигналов конце рельсовой линии, при самых неблагоприятных условиях;

- нормативный ток АЛС, при котором локомотивный приёмник работает устойчиво. Для электротяги переменного тока частотой 25 Гц. =1,4 А.

 

Сопротивление передачи для режима АЛС:

  

   Фактический ток АЛС:

 А.

 

Коэффициент режима АЛС:

 

Режим АЛС выполняется, поскольку фактический ток превышает нормативный, тем самым обеспечивается уровень кодового сигнала, достаточного для надёжного действия локомотивного приёмника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы

 

В курсовой работе были рассмотрены четыре основных режима работы кодовой рельсовой цепи частотой 25 Гц (нормальный, шунтовой, контрольный и АЛС) и режим короткого замыкания.

По результатам расчета  режимов работы рельсовой цепи можно  сделать выводы:

 

Нормальный режим работы рельсовой цепи.

При расчете нормального  режима работы рельсовой цепи было получено, что напряжение на путевом приемнике будет соответствовать напряжению надежного срабатывания, при наихудших условиях, при минимальном напряжение источника питания В.

Рельсовая цепь в нормальном режиме, при наихудших условиях, зафиксирует отсутствие подвижной единицы на контролируемом участке пути, поскольку коэффициент перегрузки реле получился больше единицы ( ). Коэффициент перегрузки реле не превышает предельно допустимый, поэтому реле не будет испытывать разрушительных механических перегрузок.

 

 

Шунтовой режим  работы рельсовой цепи.

При расчете шунтового  режима были получены коэффициенты чувствительности к нормативному поездному шунту (Rш=0,06 Ом): коэффициент шунтовой чувствительности на питающем конце составил ,а коэффициент шунтовой чувствительности на релейном конце составил .

Рельсовая цепь обладает не одинаковой  шунтовой чувствительностью на всем своем протяжении и имеет минимальное значение по концам. Поскольку полученные коэффициенты шунтовой чувствительности на питающем и релейном концах больше единицы, то шунтовой режим будет выполняться на всех участках рельсовой цепи.

Коэффициенты шунтовой чувствительности на питающем и релейном концах не равны между собой, по причине не равенства сопротивлений питающего и релейного концов

 

Контрольный режим.

Данный режим выполняется, поскольку коэффициент чувствительности к обрыву при худших условиях для режима больше единицы ( ). То есть, даже при сопротивлении изоляции, равным критическому значению, когда ток через путевой приемник при обрыве рельсовой нити максимален, якорь реле останется не притянутым. А следовательно, в данном режиме рельсовая цепь также будет отвечать необходимым требованиям и надежно выдавать показания о ложной занятости, чем будет сигнализировать о повреждении рельсовой нити.

 

 

Режим короткого замыкания.

 Рассчитанная мощность короткого замыкания ВА. при максимальном напряжении не превышает допустимую номинальную мощность источника питания (для ПЧ50/25-150УЗ составляет 150 ВА), при этом источник питания обеспечивает длительную работу рельсовой цепи в режиме короткого замыкания, поэтому режим выполняется.