Расчет кодовой рельсовой цепи переменного тока

Введение

Системы железнодорожной автоматики и телемеханики играют важную роль в перевозочном процессе, обеспечивая безопасность и ритмичность движения поездов и, тем самым, влияют непосредственно на сроки доставки грузов и их сохранность, безопасность пассажиров и работников, связанных с движением поездов.

Важнейшим элементом практически всех СЖАТ, существенно влияющих на безопасность движения поездов, являются рельсовые цепи (РЦ). Рельсовая цепь представляет собой электрическую цепь, в которой имеются источник питания ИП и путевой приемник ПП, а проводниками электрического тока служат рельсовые звенья. РЦ выполняют следующие функции: автоматически контролируют свободное или занятое состояние участков пути на перегонах и станциях, а также целостность рельсовых нитей; исключают возможность перевода стрелок под составом; с их помощью передаются кодовые сигналы с пути на локомотив и от одной сигнальной установки к другой; обеспечивают автоматический контроль приближения поездов к переездам и станциям. Данная расчетно-графическая работа посвящена расчету кодовой рельсовой цепи переменного тока 25 Гц с реле типа ДСШ-13. В ней производится расчет основных (нормальный, шунтовой, контрольный) и дополнительных (АЛСН, КЗ) режимов работы рельсовой цепи.

1.       ХАРАКТЕРИСТИКА РЦ

1)      Полная принципиальная схема

Рисунок 1 - Двухниточная РЦ 25 Гц с двумя дросель-трансформаторами и наложением кодовых сигналов АЛСН с обоих концов

2)      Описание элементов схемы

На перегонах с электротягой переменного тока промышленной частоты 50 Гц применяются кодовые рельсовые цепи переменного тока частотой 25 Гц. При такой частоте сигнального тока создается возможность передачи его по рельсам с минимальными потерями, а также обеспечение простых и надежных средств преобразования тока по частоте.

Для согласования высокого сопротивления с низким волновым сопротивлением рельсовой линии на обоих концах рельсовой цепи имеются согласующие трансформаторы типа ПРТ-А. Эти трансформаторы вместе с автоматическими выключателями АВМ-1 обеспечивают защиту аппаратуры и обслуживающего персонала от перенапряжений, которые могут возникать при значительной асимметрии тягового тока или при нарушение целости рельсовой линии.

Защита аппаратуры от воздействия тягового тока и грозовых разрядов, осуществляется с помощью разрядников РВН-250.

Для пропуска тягового тока в обход изолирующих стыков устанавливаются дроссель-трансформаторы типа ДТ-1-150 без воздушного зазора с коэффициентом трансформации n = 3.

В качестве путевого приёмника используется реле с герконом типа ДСШ-13. От мешающего влияния тягового тока и его гармонических составляющих двухсекторное путевое реле защищено защитным блоком ЗБ-ДСШ.

)        Характеристика РЦ

Кодовая РЦ переменного тока 25 Гц, обеспечивает передачу по рельсовой линии кодовых сигналов для увязки между показаниями светофоров и действия АЛС. Кодовые сигналы КЖ, Ж или З посылаются контактами трансмиттерного реле в зависимости от состояния впереди лежащих блок-участков.

РЦ выполняют следующие функции: автоматически контролируют свободное или занятое состояние участков пути на перегонах и станциях, а также целостность рельсовых нитей; исключают возможность перевода стрелок под составом; с их помощью передаются кодовые сигналы с пути на локомотив и от одной сигнальной установки к другой; обеспечивают автоматический контроль приближения поездов к переездам и станциям.

2.       ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ПРАМЕТРЫ РЦ

Таблица 1 - Первичные параметры РЦ

n - коэффициент трансформации изолирующего трансформатора ПРТ-А для питающего и релейного конца;

Z_ЗБ - сопротивление защитного блока

rсп - сопротивление соединительных проводов между дроссель-трансформатором и изолирующим трансформатором на питающем конце рельсовой цепи;

rоп - минимальное удельное сопротивление изоляции заземления контактных опор;

 - длина рельсовой цепи;

rср - сопротивление соединительных проводов между дроссель-трансформатором и изолирующим трансформатором на релейном конце рельсовой цепи;

rи - удельное сопротивление изоляции рельсовой цепи;

R_п - сопротивление активного ограничивающего резистора.

Таблица 2 - Коэффициенты четырёхполюсника изолирующего трансформатора ПРТ-А:

Таблица 3 - Коэффициенты четырёхполюсника дроссель-трансформатора ДТ-1-150(n=3):

Таблица 4 - Электрические характеристики двухэлементных путевых приемников переменного тока ДСШ - 13 при частоте сигнального тока 25 Гц:

Коэффициент взаимоиндукции рельсов

Критический коэффициент

Коэффициенты схемы РЦ при наличии двух дроссель-трансформаторов S1 = S2 = 1

Коэффициент тока утечки m = 0

3.       НОРМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РЦ

1)      Требования к РЦ

Нормальный режим называется такое состояние исправной и свободной от подвижного состава РЦ, при котором путевой приемник выдает дискретную информацию «Свободно». Такая информация будет выдавать надежно, если в правильно спроектированной отрегулированной РЦ будут четко соблюдаться два условия:

при критическом сочетании значений основных параметров, соотвествующих неблагоприятным условиям для передачи энергии (U_min, z(r_max), r_иmin), уровень сигнала на входе одноэлементного приемника соотвествует его рабочему току I_p или уровень и фаза сигнала на входе ФЧП соответствуют его рабочему вращающему моменту М_р;

при критическом сочетании значений основных параметров, соответствующих благоприятным условиям для передачи энергии (U_max, z(r_min), r_иmax), уровень сигнала на входе одноэлементного приемника не привышает его допустимую перегрузку по току (напряжению) I_пер.д(U_пер.д) или фаза сигнала на входе ФЧП на превышают его перегрузку по вращающему моменту М_пер.д

         Критериями первого состояния являются напряжение U, ток I и мощность S источника, при которых происходит надежного срабатывание приемника.

         Критерием второго состояния служит соотношение

К_пер.ф ≤ К_пер.д ,

где К_пер.ф - фактический коэффициент перегрузки приемника,

К_пер.д - допустимый (максимальный) коэффициент перегрузки приемника (по паспорту)

)        Общая и основная схема замещения

При расчете рельсовых цепей их принципиальные схемы удобно представлять в виде схем замещения.

Для удобства расчетов всех режимов работы РЦ всю аппаратуру питающего конца между источником питания и рельсовой линии удобно представить в виде обобщенного четырехполюсника с коэффициентами Ан, Вн, Сн, Dн; а аппаратуру релейного конца в виде обобщенного четырехполюсника конца рельсовой цепи Ак, Вк, Ск, Dк.

)        Расчет режима

Рассчитаем коэффициенты четырехполюсников Н и К:

Коэффициенты четырехполюсника Н:

Коэффициенты четырехполюсника К:

Учитывая особые требования, предъявляемые к РЦ, их расчет и анализ выполняют в трех основных и двух дополнительных режимах. Параметры четырёхполюсников Н и К постоянные и не зависят от режимов работы рельсовой цепи. Параметры четырёхполюсника РЛ зависят от режима работы рельсовой цепи и изменяются непрерывно вследствие воздействия климатических условий, изменения сопротивления изоляции рельсовой линии, или при наложении шунта либо обрыве рельсовой нити.

При нормальном режиме работы РЦ, то есть при отсутствии подвижного состава, сигнальный ток протекает от источника питания по рельсовым нитям к путевому приемнику. В результате этого путевое реле притягивает свой якорь и замыкает фронтовые контакты, чем фиксируется отсутствие подвижной единицы на контролируемом участке пути.

По нормальному режиму для конкретно длины РЦ определяется требуемое напряжение источника питания, которое обеспечивает на путевом приемнике напряжение надежного срабатывания при наихудших условиях работы РЦ в нормальном режиме (минимальное напряжение источника питания, максимальное сопротивление рельсов и минимальное сопротивление изоляции).

Рис.2. Схема замещения РЦ для расчета нормального режима

Произведем перерасчет сопротивления изоляции с учетом балласта:

Сопротивление земли

Поверхностное сопротивление изоляции

Сопротивление изоляции

Коэффициент распространения волны в рельсовой линии:

где z - удельное сопротивление рельсов.

Волновое сопротивление рельсовой линии:

Коэффициент распространения и волновое сопротивление являются вторичными или волновыми параметрами рельсовой линии.

Коэффициенты рельсового четырехполюсника:

Напряжение и ток в конце РЛ:

Напряжение и ток в начале РЛ:

Минимальное напряжение и ток питающего трансформатора:

Угол расстройки реле:

Минимальное приведенное напряжение путевого трансформатора:

Для трансформатора типа ПРТ-А можно принять:

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

тогда фактический минимальный приведенный ток путевого трансформатора:

Мощность, потребляемая рельсовой цепью в нормальном режиме:

Определение коэффициента перегрузки реле

Всю аппаратуру четырёхполюсника К можно заменить входным сопротивлением релейного конца:

где - входное сопротивление реле, которое численно равно 405e^j72 Ом. Из этого следует:

Обратное входное сопротивление питающего конца:

Коэффициент снижения тока релейного конца:

Обратный коэффициент снижения тока в четырехполюснике:

Минимальное сопротивление передачи:

где z - удельное сопротивление рельсов, которое равно Ом/км.

Максимальное сопротивление передачи:

Тогда коэффициент перегрузки реле:

- коэффициент нестабильности источника питания,

- коэффициент запаса на срабатывание приемника.

4)      Анализ результатов

Коэффициент перегрузки представляет собой отношение фактического значения сигнала на входе приёмника к рабочему значению сигнала. Нормальный режим работы РЦ будет соблюдаться при следующих условиях:

,.

В данной курсовой работе коэффициент перегрузки удовлетворяет этим требованиям (не превышает паспортного и выше минимального коэффициента перегрузки).

5)      Меры по нормализации режима

Для бесперебойной работы рельсовых цепей в нормальном режиме необходимо следить за состоянием рельсовых линий, изолирующих стыков, стыковых соединителей, шпал и поддерживать их в надлежащем состоянии.

4.       РАСЧЕТ ШУНТОВОГО РЕЖИМА РЦ

1)      Требования к РЦ

При шунтовом режиме работы, когда подвижной состав вступает на контролируемый РЦ участок пути, рельсовые нити соединяются через малое сопротивление колесных пар (сопротивление одной колесной пары принимается равным 0,06 Ом). Большая часть сигнального тока проходит через колесную пару и только незначительная часть проходит через путевое реле. Путевое реле отпускает свой якорь и замыкает тыловые контакты, в результате чего фиксируется занятость контролируемого участка пути.

Неблагоприятными условиями для шунтового режима являются те, которые приводят к увеличению тока в путевом приемнике: максимальное напряжение источника питания, минимальное сопротивление рельсов и максимальное сопротивление изоляции.

Надёжность работы РЦ в шунтовом режиме характеризуется шунтовой чувствительностью, которая соответствует максимальному значению сопротивления, включение которого между рельсами приводит к шунтированию путевого приемника. Критерием надёжности шунтового режима является отношение . Шунтовая чувствительность минимальна на концах рельсовой линии, поэтому достаточно определить её на питающем и релейном концах.

2)      Схема замещения

Рис.3. Схема замещения РЦ для шунтового режима

)        Расчет режима

Коэффициент шунтовой чувствительности на релейном конце:

Коэффициенты четырехполюсника РЛ при наложении нормативного шунта на релейном конце при наихудших условиях для шунтового режима ():

Сопротивление передачи при наложении нормативного шунта на релейном конце:

Максимально допустимое напряжение источника питания, при котором реле надёжно притягивает свой якорь при неблагоприятных условиях шунтового режима:

Коэффициент шунтовой чувствительности на релейном конце:

Коэффициенты четырехполюсника РЛ при наложении нормативного шунта на питающем конце при наихудших условиях для шунтового режима ():

Сопротивление передачи при наложении нормативного шунта на питающем конце:

Допустимое напряжение источника питания:

Коэффициент шунтовой чувствительности на питающем конце:

)        Анализ результата

Полученные коэффициенты шунтовой чувствительности больше единицы, поэтому шунтовой режим для данной РЦ выполняется.

)        Меры по нормализации режима

Опираясь на используемые в расчете формулы, можно заметить, что увеличение удельного сопротивления рельсов повышает сопротивление передачи в шунтовом режиме, а значит повышает шунтовую чувствительность рельсовой цепи. Также для повысить шунтовую чувствительность рельсовой цепи можно применением приемника с более высоким напряжением надежного возврата, а, следовательно, и более высоким коэффициентом надежного возврата .

5.       РАСЧЕТ КОНТРОЛЬНОГО РЕЖИМА РЦ

1)      Требования к РЦ

При контрольном режиме работы РЦ, в случае нарушения электрической целостности рельсовых нитей (лопнул или изъят рельс), ток на входе приемника уменьшается, но не становится равным нулю вследствие наличия обходной цепи через сопротивления изоляции. В этом режиме путевой приёмник выдаёт информацию «Занято» при полном электрическом разрыве рельсовой нити в любой точке рельсовой линии. При самых неблагоприятных условиях напряжение на входе приёмника должно снижаться до напряжения надёжного возврата. Неблагоприятными условиями будут являться максимальное напряжение источника питания, минимальное сопротивление рельсов и некоторое критическое значение сопротивления изоляции. Критическими называются сопротивление изоляции и место обрыва, при которых ток в приёмнике рельсовой цепи оказывается максимальным. Критерием надёжности контрольного режима является соотношение:  - коэффициент чувствительности цепи к повреждённой нити.

2)      Схема замещения

Рис.4. Схема замещения РЦ для контрольного режима

)        Расчет режима

Коэффициент чувствительности к поврежденному рельсу:

Uдк - максимально допустимое напряжение источника питания, при котором реле надёжно не притягивает свой якорь при самых неблагоприятных условиях контрольного режима.

Коэффициенты четырехполюсника РЛ при повреждении рельса определим по формулам:

где  при частоте 25 Гц., m = 0 - коэффициент распределения тока утечки,  и  - коэффициенты экранизации рельс.

Коэффициент, учитывающий взаимоиндукцию рельсов:

где М12 - коэффициент взаимоиндукции рельсов.

Коэффициенты четырехполюсника РЛ при повреждении рельса:

Сопротивление передачи:

Допустимое напряжение источника питания:

Коэффициент чувствительности к поврежденному рельсу:

)        Анализ результатов

Коэффициент чувствительности к повреждённому рельсу больше единицы, поэтому при повреждении рельса РЦ будет надёжно выдавать информацию о занятости блок-участка.

)        Меры по нормализации режима

Из расчетных формул видно, что, так же как и при щунтовом режиме, расстройка фазо-чувствительного приемника (ДСШ-13) улучшает чувствительность цепи к повреждению рельса, то есть улучшает контрольный режим.

Техническими мерами улучшающими чувствительность цепи к повреждению рельса являются меры по предотвращению обходных каналов для токов утечки - повышение сопротивления между рельсом и балластом. Это достигается содержанием балластного слоя в надлежащем состоянии, контролем за состоянием рельсовых подкладок и т. д.

6.       РАСЧЕТ РЕЖИМА АЛСН РЦ

1)      Требования к РЦ

Режим АЛС соответствует вступлению поезда на входной конец рельсовой цепи. В этом режиме ток в рельсах под приёмными катушками локомотива при электротяге переменного тока должен быть не менее 1,4 А, необходимого для надёжной работы приёмных устройств АЛС на локомотиве. Режим АЛС можно назвать нормальным режимом с локомотивным приемником, оба имеют одинаковые наихудшие условия работы (минимальное напряжение источника питания, максимальное сопротивление рельсовой нити, минимальное сопротивление изоляции).

)        Схема замещения

Рис. 6. Схема замещения для режима АЛС

)        Расчет режима

Критерием режима АЛС является соотношение:

где - фактический минимальный ток в рельсовой линии при наложении шунта на удалённом от генератора кодовых сигналов конце рельсовой линии, при самых неблагоприятных условиях, а - нормативный ток АЛС, при котором локомотивный приёмник работает устойчиво (1,4 А).

Сопротивление передачи цепи для режима АЛС:

Фактический ток АЛС:

Коэффициент режима АЛС:

)        Анализ результатов

Уровень кодового сигнала достаточен для надежного действия локомотивного приемника, так как фактический ток превышает нормативный.

)        Меры по нормализации режима

При кодировании рельсовой цепи переменного тока с питающего конца используется один общий источник для сигнального тока и кодового тока АЛСН. В этом случае схемы и параметры аппаратуры питающего и релейного концов должны выбираться таким образом, чтобы при одном и том же напряжении источника устойчиво действовали путевое реле при нормальном режиме и устройства АЛСН при шунтировании релейного конца. Для этой цели согласовывают между собой сопротивления передачи цепи в нормальном режиме и в режиме АЛСН.

7.       РАСЧЕТ РЕЖИМА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ РЦ

1)      Требования к РЦ

Режим короткого замыкания - это такой режим, при котором на питающем конце находится подвижная единица. Этот режим является дополнительным. Мощность короткого замыкания при максимальном напряжении не должна превышать допустимую номинальную мощность источника питания. Режим рассчитывается при . Наихудшим условием работы для работы РЦ в этом режиме является максимальное напряжение источника питания.

2)      Схема замещения РЛ

Рис. 5. Схема замещения для режима короткого замыкания

3)      Расчет режима

Входное сопротивление короткого замыкания:

Максимальный ток источника:

Максимальная мощность источника:

)       
Анализ результатов

Расчётная мощность источника питания в режиме короткого замыкания не превышает допустимую, что обеспечивает нормальную работу преобразователя частоты.

)        Меры по нормализации режима

Для уменьшения перегрузок аппаратуры в режиме короткого замыкания к зажимам источника тока (путевого трансформатора) подключается компенсирующий конденсатор, а также увеличивают значение сопротивления реактора Z₀.

Заключение

рельсовый цепь кодовый

В данной расчетно-графической работе рассчитаны три основных (нормальный, шунтовой, контрольный) и два дополнительных (короткого замыкания и АЛС) режима работы кодовой рельсовой цепи переменного тока частотой 25 Гц при наихудших условиях. Работу РЦ в каждом режиме мы оценивали по определенным критериям и нормам. Все режимы работы РЦ полностью удовлетворяют всем нормам и значит РЦ будет обеспечивать получение информации о состоянии участка пути: участок пути свободен, рельсы исправны; участок пути занят подвижной единицей; рельсовая нить участка пути оборвана. Значит рассчитанная нами РЦ гарантирует надежную работу и безопасность движения поездов.

Список литературы

рельсовый цепь кодовый

1) В.С. Аркатов, Ю.А. Кравцов, Б.М. Степенский. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. - М.: Транспорт, 1990.

) В.С. Дмитриев. Основы железнодорожной автоматики и телемеханики. Учебник для техникумов ж.-д. трансп. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982.

) Сороко В.И., Разумовский Б.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник. В 2-х т. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1981

) Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник/ Аркатов В.С., Котляренко Н.Ф. и др.; Под ред. Аркатова В.С. - М.: Транспорт, 1982.- 360с.

) Аркатов В.С., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание.- М.: Транспорт, 1990.- 295с.

) Сороко В.И. Разумовский Б.А. Аппаратура ж.д. автоматики и телемеханики : Справочник. в 2-х т. - Транспорт, 1982.

) Автоматика, телемеханика и связь на транспорте: пособие по оформлению дипломных проектов. / Бочков К.А. и др. - Гомель: БелГУТ, 2002.