Параметры рельсовой линии

Тема лекции 7

Параметры рельсовой линии. Схемы замещения рельсовых цепей.

 

Параметры рельсовой линии

Условия передачи сигналов по рельсовой линии определяются ее первичными параметрами - электрическим сопротивлением рель­сов и сопротивлением изоляции между ними, называемым также со­противлением балласта. При расчетах используют удельные вели­чины этих параметров.

Удельное электрическое сопротивление рельсов  z (Ом/км) представляет собой электрическое сопротивление обеих рельсовых нитей (рельсовой петли) с учетом сопротивления стыковых соеди­нителей, отнесенное к 1 км рельсовой линии. Сопротивление рель­сов зависит от их типа, состояния стыковых накладок, от типа и состояния стыковых соединителей.

Сопротивление рельсов постоянному току r определяется в основном типом и состоянием стыковых соединителей, так как собственное сопротивление сплошного рельса мало. Сопротивление рельсовой петли равно сумме сопротивлений обеих рельсовых ни­тей:  r=r1+r2.

Установлены следующие нормативные значения удельного сопро­тивления рельсов постоянному току: максимальное r_mах при стальных штепсельных соединителях равно 0,6 Ом/км, при стальных привар­ных—0,2 Ом/км; минимальное r_тin при штепсельных соединителях равно 0,3 Ом/км, при приварных—0,1 Ом/км. Сравнение этих значений показывает, что при замене стальных штепсельных соеди­нителей приварными сопротивление рельсов уменьшается в три раза, а в зависимости от состояния стыковых соединителей в процессе эксплуатации сопротивление рельсов постоянному току может изменяться в два раза. В зависимости от режима работы РЦ в расчетах используют r_mах или r_min удельное сопротивление рельсов.

Сопротивление рельсов постоянному току может быть значи­тельно стабилизировано при применении стыковых соединителей с малым и неизменным сопротивлением. Наиболее благоприятные ус­ловия для передачи сигналов в РЦ постоянного тока создаются на участках с цельносварными рельсовыми плетями длиной до 900 м. В этом случае сопротивление рельсов постоян­ному току уменьшается до 0,05 Ом/км, т. е. в 12 раз по сравнению с нормативными значениями сопротивлений для штепсельных соеди­нителей и в четыре раза для приварных.

Рекомендуемые материалы

Полное сопротивление рельсов

R=rl,

где r — удельное сопротивление рельсов, Ом/км; l — длина рельсовой линии, км.

Удельное сопротивление рельсовой петли переменному сигналь­ному току z (Ом/км) является комплексной величиной, обус­ловленной наличием активной и индуктивной составляющих:

Z=r_a+jωL_o,

где r_а — активное сопротивление рельсов вместе со стыковыми соединителя­ми, Ом/км; L_o — общая индуктивность рельсовой петли, Гн/км; ω—угловая частота сигнального тока, рад/с.

Угловая частота сигнального тока ω=2лf, где f—частота сиг­нального тока, Гц.

Общая индуктивность рельсовой петли

L_o= Le +2(Li + Lc),

где Le—внешняя индуктивность рельсовой петли; Li — внутренняя индуктивность целой рельсовой нити; Lc — индуктивность стыковых соединителей.

Основную часть общей индуктивности L_о составляет внешняя ин­дуктивность Le, определяемая лишь геометрическими размерами рельсовой линии, как и у любой двухпроводной цепи.

Внутренняя индуктивность Li и активное сопротивление r_а из-за поверхностного эффекта и гистерезиса в ферромагнитных проводни­ках зависят от частоты сигнального тока, магнитной проницаемости, удельного сопротивления рельсовой стали и от геометрических разме­ров рельса. Существуют лишь приближенные формулы для вычисле­ния значений r_а и Li. С возрастанием частоты сигнального тока вследствие явления поверхностного эффекта и гистерезиса активное сопротивление рельсов возрастает.

Полное сопротивление рельсов переменному току выражается модулем и аргументом (фазовым углом). Нормативные значения удельного сопротивления рельсов переменному сигнальному току частотой 25, 50 и 75 Гц приведены в табл. 1.

                                                                                                Таблица 1

Из табл. 1 видно, что сопротивление рельсов переменному сигнальному току, в отличие от сопротивления рельсов постоянно­му току, от типа и состояния стыковых соединителей изменяется незначительно и определяется в основном активным и индуктивным сопротивлением самих рельсов. При замене стальных приварных со­единителей медными приварными и даже при цельносваренных рель­совых плетях, когда сопротивление стыков уменьшается более чем в 10 раз, полное сопротивление рельсов уменьшается всего на 20%, поэтому при расчетах РЦ переменного тока не учи­тывают колебания сопротивления рельсов из-за изменения сопротив­ления стыков в процессе эксплуатации и пользуются приведенными в табл. 8.4 значениями при расчете всех режимов работы РЦ, т. е. значения Z_max и Z_min принимаются одинаковыми.

При частотах сигнального тока свыше 75 Гц сопротивление рельсов возрастает практически пропорционально частоте, так как преобладающей становится индуктивная составляющая, обус­ловленная внешней индуктивностью, которая с изменением частоты сигнального тока остается неизменной.

Расчетные значения удельного сопротивления рельсов перемен­ному сигнальному току приведены в табл. 2.

                                                                                                Таблица 2

Сопротивление рельсовой петли переменному току Z не является суммой сопротивлений обеих рельсовых нитей Z₁ и Z₂ в отдельности, т. е. Z≠Z₁+Z₂. Физически это объясняется явлением взаимной индуктивности рельсовых нитей. Ток, проходящий по каждой рель­совой нити, наводит в противоположной нити ток взаимоиндукции, совпадающий по направлению с основным током. Увеличение тока эквивалентно уменьшению сопротивления, поэтому полное сопротив­ление рельсовой петли

Z=Z₁+Z₂–2Z₁₂,

где Z₁₂ — сопротивление, обусловленное взаимной индуктивностью рельсо­вых нитей.

Сопротивление каждой рельсовой нити в отдельности.

Z₁ =Z₂=Z/2—Z₁₂.

Расчеты показывают, что сопротивление рельсовой петли и со­противление каждой рельсовой нити в отдельности приблизительно одинаковы, т. е. ZZ1=Z2.

Полное сопротивление Z (Ом) при длине рельсовой линии l определяется через удельное сопротивление Z=zl.

Электрическим сопротивлением изоляции (балласта) рельсовой линии r_и (Ом/км) называется сопротивление, оказываемое то­ку утечки из одной рельсовой нити в другую через балласт и шпа­лы. Значение сопротивления изоляции зависит от типа и состоя­ния балласта и шпал, арматуры крепления рельсов к шпалам, на­личия зазора между подошвой рельсов и балластом, от температу­ры и влажности окружающего воздуха и многих других причин.

При изменении частоты сигнального тока от 0 до 2000 Гц сопротивление изоляции изменяется незначительно и имеет актив­ный характер, на частоте свыше 2000 Гц начинает проявляться емкостная составляющая. Сопротивление изоляции во многом зави­сит от типа и состояния балласта. Наилучшим материалом для балластного слоя является щебень, хорошими изоляционными свойства­ми обладает гравий, при песчаном и асбестовом балласте сопро­тивление изоляции ниже. Еще больше сопротивление изоляции за­висит от степени загрязнения балласта. Даже щебеночный балласт через несколько лет после укладки, загрязняясь песком, пылью, шлаком, углем и другими материалами, не всегда обеспечивает нормативное сопротивление изоляции. Особенно резко снижается сопротивление изоляции на участках, где производится перевозка минеральных удобрений и солей, а также на участках с солончако­выми почвами. В условиях эксплуатации сопротивление изоляции может изменяться в зависимости от погоды и других условий от долей Ома на километр (летом после дождя) до 100 Ом·км (зимой в сильный мороз).

На железных дорогах СНГ для РЦ постоянного и переменного тока для всех видов балласта установлена единая норма минимального сопротивления изоляции, равная 1 Ом×км. Од­нако в условиях эксплуатации это значение бывает не всегда. При касании подошвой рельса балласта, наличии гнилых шпал, заг­рязнении балласта, а также при наличии шпал, пропитанных токопроводящими антисептиками (хлористый цинк), на участках с асбес­товым балластом при засорении его сыпучими грузами, при солон­чаковой почве сопротивление изоляции снижается до 0,5 Ом×км и ниже. Это может привести к нарушению нормального действия РЦ.

На участках с железобетонными шпалами работа импульсных рельсовых цепей постоянного тока усложняется из-за проявления так называемого аккумуляторного электрохимического эффекта, когда рельсовая линия в импульсе накапливает энергию, за счет которой в интервале импульсное реле удерживает якорь; это при­водит к сбою в работе рельсовой цепи. Для обеспечения нормаль­ного действия рельсовых цепей в этих условиях разработаны спе­циальные схемы, в частности схема рельсовой цепи с двухполяр­ным питанием.

Полное сопротивление изоляции рельсовой линии длиной l

R_и=r_и /l.

Процесс распространения электрических сигналов в рельсовой линии, как и в любой другой электрической линии с распределен­ными параметрами, характеризуется ее вторичными параметрами:

коэффициентом распространения волны у (1/км) и волновым сопро­тивлением Zв.

Коэффициент распространения волны

γ=α+jβ,

где α — коэффициент затухания; β — фазовый коэффициент.

Физически коэффициент затухания характеризует изменение амплитуды, а фазовый коэффициент — изменение фазы сигнала при прохождении 1 км рельсовой линии.

Коэффициент распространения определяется первичными пара­метрами:

 где z и r_и — соответственно удельное сопротивление рельсов и удельное сопротивление изоляции; j — аргумент сопротивления рельсов.

Для постоянного тока (g=a, b=0)

При стальных приварных соединениях g=a=0,447 1/км. Для переменного тока частотой 50 Гц и при приварных медных со­единителях g = 0,89е^j32,50 1/км.

Волновое сопротивление характеризует соотношение между на­пряжением и током в каждой точке рельсовой линии при распрост­ранении электромагнитной волны. Волновое сопротивление опреде­ляется первичными параметрами:

Вторичные параметры зависят от частоты сигнального тока, поскольку они определяются первичными параметрами. С повышени­ем частоты сигнального тока вторичные параметры возрастают приблизительно пропорционально корню квадратному из частоты.

 

Схемы замещения рельсовых цепей

При анализе и расчете рельсовые цепи заменяют общей схемой заме­щения (рис. 1), состоящей из каскадного соединения трех четы­рехполюсников Н, РЛ и К, которые замещают соответственно аппаратуру в начале рельсовой линии, рельсовую линию и аппа­ратуру в конце рельсовой линии. Обозначения на схеме показаны применительно к работе рельсовой цепи в нормальном режиме. Все показанные величины являются комплексными. При работе рельсовой цепи в шунтовом и контрольном режимах схема заме­щения будет такой же, однако значения коэффициентов четырех­полюсника РЛ будут другими.

Напряжение и ток на входе каждого четырехполюсника, на­пример  РЛ,

            U_H = AU_K + BI_K ;    i_H = CU_K + DI_R.,                                    (1)

Коэффициенты четырехполюсников Н и К определяют извест­ными методами, рассматриваемыми в теории электрических цепей, с учетом схемы и параметров элементов, включенных в начале и в конце рельсовой линии.

Рис. 1 Общая схема заме­щения рельсовые цепи

Осуществляя последовательные преобразования схем каскад­ного соединения двух четырехполюсников с помощью уравнения, можно получить коэффициенты четырехполюсников N_Н и N_K.

Параметры четырехполюсников N_Н и N_K постоянные и не зави­сят от режимов работы рельсовой цепи. Параметры четырехполюс­ника N_РЛ  переменные, они зависят от режима работы рельсовой цепи и изменяются непрерывно вследствие воздействия климати­ческих условий на состояние пути и, следовательно, изменения сопротивления изоляции рельсовой линии или дискретно при наложении шунта либо обрыве рельсовой нити.

Вся схема рельсовой цепи между источником питания и путе­вым приемником может быть заменена общим четырехполюсником с коэффициентами А_о, В_о, С_о, D_o (см. рис. 1), которые вычисляют перемножением матриц коэффициентов четырехполюсников N_Н , N_РЛ  и N_K :

Напряжение  и ток источника  питания  рельсовой  цепи

Вместе с этой лекцией читают "10 Источники по истории революционной и политической борьбы".

U = A_оU_Р + B_оI_Р ;   I = C_оU_Р + D_оI_Р.

Четырехполюсники N_Н , N_РЛ  и N_K принято считать линейными, т. е. их параметры не зависят от протекающего тока. В связи с этим напряжение и ток на входе приемника РЦ в нор­мальном, шунтовом и контрольном режимах изменяются пропор­ционально изменению напряжения и тока в конце рельсовой ли­нии. Это дает возможность при анализе и расчетах рельсовой цепи пользоваться более простой, так называемой основной схемой замещения (рис. 2, а).

Рис. 2 Основная схема заме­щения рельсовые цепи

Ее получают путем замены электрической схемы в начале рельсовой линии по методу эквивалентного гене­ратора и схемы устройств в конце рельсовой линии по методу эк­вивалентной нагрузки. При этом напряжение эквивалентного генератора U_Э  равно напряжению холостого хода на выходе четырех­полюсника Н (рис. 2, б). Внутреннее сопротивление эквивалент­ного генератора   Z'_ВХН   представляет собой обратное входное сопротивление четырехполюсника N_H при замкнутых зажимах источника питания (рис.2, в).                                                                   

Сопротивление Z_BXK представляет собой входное сопротивле­ние четырехполюсника N_K, на выходе которого подключен прием­ник рельсовой' цепи с входным сопротивлением Z_Р  (см. рис. 1).