Рельсовые цепи на участках с электротягой переменного тока

Тема лекции 10

Рельсовые цепи на участках с электротягой переменного тока

Приборы рельсовых цепей на участках с электрической тягой переменного тока 50 Гц должны быть защищены от воздействия тягового тока и его гармонических составляющих. Номинальное напряжение в контактной сети относительно рельсов и земли - 25 кВ. Тяговые подстанции располагают на расстоянии 40—60 км одна от другой, они обеспечивают двустороннее питание устройств. Мощность электровозов ВЛ60, ВЛ80 и ЧС4 составляет пример­но 5000 кВт, потребляемый ток - примерно 200 А, максимальный потребляемый ток - до 500 А. Расчетный ток контактной сети при нахождении на участке нескольких поездов 500 А. При переходе на вынужденный режим питания, когда одну из тяговых подстан­ций временно отключают и ее нагрузку воспринимают смежные с ней подстанции, ток в контактном проводе может увеличивать­ся до 750 А. При коротком замыкании вблизи от тяговой подстан­ции ток в контактном проводе может достигать 14 000 А, длитель­ность короткого замыкания определяется типом устройств защиты, применяемых на тяговых подстанциях, и составляет 0,15—0,3 с. Сопротивление каждой рельсовой нити тяговому току частотой 50 Гц равно 0,78е^j70 Ом/км.

Кроме первой гармоники (50 Гц), в тяговом токе возможно появление гармонических составляющих, кратных частоте основной гармоники. Уровень высших гармонических составляющих опреде­ляется возможным отклонением кривой переменного тока от синусои­дальной формы и нелинейностью цепи нагрузки. На основании ис­следований установлено, что в тяговом токе возможно появление в основном только нечетных гармонических составляющих, так как кривая тягового тока симметрична относительно оси абсцисс (нечетная функция).

Наибольшее процентное содержание нечетных гармоник в тяговом токе приведено ниже.

Многочисленные измерения тяговых токов в рельсах показа­ли, что потребляемый электровозом ток распределяется, как пра­вило, равномерно по обе стороны от движущегося электровоза, часть тока возвращается к тяговой подстанции по земле. Значе­ние этого тока в рельсах не превышает 50% потребляемого элект­ровозом тока. Тяговый ток в рельсах может превышать это значе­ние лишь в рельсовых цепях, к которым подсоединяется отсасы­вающий фидер тяговой подстанции, поэтому расчетный тяговый ток в рельсах принимается равным 250 А.

При полной симметрии тяговых токов в рельсовых нитях и сопротивлений каждой из полуобмоток дроссель-трансформаторов тяговый ток и его гармонические составляющие не оказывают ни­какого воздействия на приборы рельсовой цепи. В этом случае одинаковые тяговые токи, протекая через каждую из полуобмоток дроссель-трансформатора, создают на них равные, но противопо­ложно направленные э.д.с.; напряжение помехи на дополнительной обмотке дроссель-трансформатора, а значит, на приборах равно нулю.

Воздействие тягового тока на приборы питающего и релейного концов рельсовой цепи проявляется при неравномерном (асим­метричном) распределении тягового тока по рельсовым нитям. Основными причинами асимметрии тягового тока являются неоди­наковое сопротивление рельсовых нитей тяговому току (продоль­ная асимметрия), а также рельсовых нитей по отношению к зем­ле, вызванное присоединением к одной рельсовой нити опор кон­тактной сети и других сооружений и конструкций с относитель­но низким сопротивлением по отношению к земле (поперечная асимметрия); магнитное влияние контактной сети соседнего пути (на двухпутных линиях) из-за неодинакового расстояния от кон­тактного провода до каждой рельсовой нити.

На основании расчетов и результатов измерений в эксплуа­тационных условиях максимальный расчетный ток асимметрии при­нимается равным 23 А. Напряжение помехи, создаваемой на рель­сах питающего и приемного концов, пропорционально сопротивле­нию концов рельсовой цепи тяговому току. Сопротивление по кон­цам для тока 50 Гц составляет примерно 0,25 Ом.

Так как ток асимметрии проходит через одну половину обмот­ки дроссель-трансформатора, то сопротивление конца рельсовой цепи для тока помехи I_пом:

Z _к.пом = Z_к/4.

Напряжение помехи U_пом на полуобмотке дроссель-трансфор­матора

В.

На всей основной обмотке, т. е. между рельсовыми нитями,  напряжение помехи

U_р.пом.=U_пом  × 2 = 2,9 В.

Напряжение помехи на дополнительной обмотке дроссель-трансформатора ДТ-1-150 с коэффициентом трансформации n=З

U_дт.пом=2,9n_дп=2,9 ×3 = 8,7 В,

а на первичной обмотке изолирующего трансформатора с коэффициентом трансформации n = 9 напряжение помехи

U_ит.пом » U_дп.пом ×n_ит=8,7·9=78 В.

В перегонных РЦ переменного тока 25 Гц минимальное рабочее напряжение сигнальной частоты на рельсах  релейного конца составляет 0,4 В. Для обеспечения нормальной  работы путевого реле при таком уровне сигнала и наличии напряжения помехи 2,9 В частотой 50 Гц необходимо, чтобы в интервалах кода при наличии асимметрии обеспечивалось отпускание  якоря путевого реле ИМВШ-110.

Отпускание путевого реле будет надежно обеспечено, если  напряжение помехи не будет превышать 30% рабочего напряжения.  Поэтому фильтр, включаемый на релейном конце, должен обеспечивать подавление напряжения помехи частотой 50 Гц не менее чем  в 24 раза, т. е. электрический фильтр должен обладать затуханием  не менее 27,6 дБ.

Кодовые рельсовые цепи

На линиях с электротягой переменного тока ранее внедрялись  рельсовые цепи переменного тока 75 Гц, позднее были разработаны  РЦ переменного тока 25 Гц. Опыт эксплуатации показал, что РЦ, питаемые током частотой 25 Гц, более  устойчиво работают при пониженном сопротивлении изоляции  (балласта) и потребляют меньшую мощность.

Электроснабжение РЦ 25 Гц осуществляется от  высоковольтной линии переменного тока частотой 50 Гц, что дает  возможность легко резервировать электропитание АБ. Сигнальный ток частотой 25 Гц получается с помощью статического электромагнитного преобразователя частоты ПЧ50/25.

Кодовая РЦ переменного тока 25 Гц, применяемая на перегонах (рис. 1), обеспечивает передачу по рельсовой линии кодовых сигналов для увязки между показаниями светофоров и действиями АЛС. Кодовые сигналы КЖ, Ж или 3 посылаются контактом трансмиттерного реле Т (в зависимости от состояния впередилежащих блок-участков). Применены дроссель-трансформаторы ДТ-1-150 с коэффициентом трансформации n=3.

Рис. 1. Кодовая рельсовая цепь переменного тока 25Гц

Для подключения отсасывающего фидера или заземления металлических конструкций допускается установка третьего дроссель-трансформатора ДТ-0,6 (на схеме не показан) с настройкой дополнительной обмотки в резонанс для сигнального тока частотой  25 Гц с помощью конденсатора емкостью 24 мкФ, включенного через повышающий трансформатор (n=2) ПРТ-А с целью уменьшения емкости (без трансформатора потребовалась бы емкость примерно 100 мкФ).

Непосредственное присоединение опор контактной сети к рельсам допускается при сопротивлении заземления опор не менее  100 Ом. В остальных случаях опоры должны присоединяться к рельсам через искровые промежутки многократного действия.

Статический электромагнитный преобразователь частоты  (рис. 2, а) состоит из двух магнитопроводов, выполненных из  трансформаторной стали. На магнитопроводах имеются три обмотки: две из них, включенные последовательно, подключаются через  выпрямитель к внешнему источнику питания частотой 50 Гц; третья,  называемая контурной (резонансной), замыкается через конденсатор С_к и охватывает оба магнитопровода.

Рис. 2. Принципиальная схема преобразователя частоты ПЧ50/25

Принцип действия преобразователя, называемого также дели­телем частоты, основан на использовании явления возбуждения параметрических колебаний. При принудительном изменении пара­метра (индуктивности или емкости) контура с частотой f в контуре возбуждаются колебания с частотой f/2. В данном случае прину­дительное изменение индуктивности контура достигается подмагничиванием сердечников постоянной и переменной составляющими магнитного потока, создаваемого обмотками W_н за счет энергии, поступающей от сети. Появление этих составляющих обеспечи­вается за счет однополупериодного выпрямления переменного тока 50 Гц диодами VD, включенными в цепь обмоток W_н (на схеме пока­зан один диод). Под действием тока 50 Гц периодически изменяется индуктивность, чем поддерживаются незатухающие колебания в кон­турной обмотке w_к. Чтобы исключить прямую трансформацию тока 50 Гц с входа на выход, обмотки W_н включаются так, чтобы созда­ваемые ими магнитные потоки в средних стержнях были равны, но противоположно направлены. Нагрузка подсоединяется к контур­ной обмотке.

Достоинствами параметрических преобразователей являются простота и надежность действия, стабильное напряжение на выхо­де: колебание выходного напряжения составляет ±5% при измене­нии напряжения питания в широких пределах (±20% номинального значения), хорошая защита от перегрузок (в случае перегрузки колебания прекращаются, преобразователь не повреждается).

К недостаткам преобразователей следует отнести большие раз­меры и массу (масса преобразователя ПЧ50/25-100 составляет 14,6 кг) и сравнительно низкий к.п.д. (примерно 40%), особенно при малых нагрузках. При холостом ходе преобразователь потреб­ляет от сети практически такую же мощность, как и при полной нагрузке.

От преобразователя ПЧ50/25-100 могут быть получены напря­жения на выходе от 5 до 175 В через каждые 5 В (рис. 2, б). Конденсаторы преобразователя размещены в отдельном блоке КПЧ.

Ограничителем РЦ является нерегулируемый резис­тор сопротивлением 200 Ом (см. рис. 1). Для согласования аппаратуры с дроссель-трансформаторами установлены трансфор­маторы ПТ на питающем и ИТ на релейном конце. Эти трансформа­торы вместе с автоматическими выключателями АВМ-1 обеспечи­вают защиту аппаратуры и обслуживающего персонала от перенап­ряжений, которые могут возникать при значительной асимметрии тягового тока, например при обрыве одной из перемычек дроссель-трансформатора ДТ-1-150, а также при случайных замыканиях кон­тактного провода на рельс. В этих случаях на дополнительной обмотке ДТ-1-150 могло бы появиться высокое напряжение, опас­ное для аппаратуры и обслуживающего персонала, однако при этом происходит насыщение магнитопровода трансформатора ПТ или ИТ, вследствие чего их сопротивление падает, ток в цепи возрас­тает, срабатывают автоматические выключатели АВМ-1 и отключа­ют аппаратуру от дроссель-трансформатора, защищая ее от повреж­дений тяговым током.

Защита аппаратуры от импульсных перенапряжений, возникаю­щих от воздействия тягового тока и грозовых разрядов, осущест­вляется с помощью разрядников РВН-250. Вместо них можно при­менять выравниватели.

Поскольку устройства автоблокировки с РЦ 25 Гц получают питание от высоковольтной линии 50 Гц, то в этом случае используются типы трансмиттеров (КПШ-5 и КПШ-7). В смежных РЦ применяют трансмиттеры разных типов.

Ложное возбуждение сигналь­ных реле при работе импульсного реле от тока смежной цепи при повреждении изолирующих стыков исключается схемным способом.

Рельсовые цепи 25 Гц регулируются изменением напряжения, снимаемого с выхода преобразователя. При шунтировании входно­го (релейного) конца ток под приемными катушками должен быть не менее 1,4 А. Предельная длина РЦ - 2500 м. Мощ­ность, потребляемая РЦ предельной длины, в нормаль­ном режиме составляет 54 В·А, в режиме короткого замыкания возрастает до 100 В·А.

От мешающего действия тягового тока и его гармоник импульс­ное путевое реле защищено путевым фильтром ФП-25 (рис. 3) для рельсовой цепи 25 Гц или ФП-75 для РЦ 75 Гц. Фильтр настроен на пропускание сигнального тока соответственно 25 или 75 Гц и представляет большое сопротив­ление для тягового тока и его гармоник. Фильтр ФП-25 ослабляет помехи частотой 50 Гц более чем в 100 раз, а ФП-75 не менее чем в 60 раз.

Рис. 3. Схемы фильтров ФП-25 и ФП-75

Параллельные колебательные контуры С1—Т1 и С2—Т2 наст­роены на частоту 25 Гц. Обладая на этой частоте большим сопро­тивлением, они препятствуют шунтированию тока 25 Гц через кон­туры. Контур СЗ—L настроен на частоту 50 Гц и препятствует прохождению тока частотой 50 Гц на выход фильтра. Этот контур вместе с конденсатором С4 образует последовательный резонансный контур для частоты 25 Гц, обеспечивая пропускание тока этой час­тоты на выход фильтра.

На двухпутных участках средние точки дроссель-трансформато­ров соседних путей соединяются только у входных светофоров и в местах подсоединения отсасывающих фидеров не чаще чем через три РЦ. Это ограничение обусловлено тем, что при соединении средних точек создаются обходные цепи, исклю­чающие контроль поврежденного рельса. Длина цепи обхода должна быть не менее 6 км.

Фазочувствительные рельсовые цепи переменного тока

На станциях участков с электротягой переменного тока проек­тируют и строят непрерывные РЦ переменного тока 25 Гц с фазочувствительными путевыми реле ДСШ-13.

В схеме питания станционных РЦ (рис. 4) предусмотрены раздельные преобразователи П1 и П2 мощностью 150 или 300 В·А для питания соответственно путевых трансфор­маторов и местных элементов путевых реле.

Рис. 4. Схема питания станционных РЦ переменного тока 25 Гц с

 фазочувствительными реле

При питании путевых трансформаторов и местных элементов реле от одного преобразователя не исключается возможность сра­батывания реле от тягового тока и его гармоник. Помехи тягово­го тока могут поступать в путевую обмотку, соединенную с рель­сами, и одновременно путем обратной трансформации из рельсов через путевой трансформатор и общий выход преобразователя в цепь местного элемента, создавая вращающий момент сектора. Такие обходные цепи исключаются разделением источников пита­ния рельсовой цепи и местных элементов, при этом напряжения источников питания для обеспечения нормальной работы рельсо­вой цепи должны иметь фазовый сдвиг на угол 90°. Это достига­ется с помощью двух вспомогательных контрольных реле 1ПК и 1МК типа ДСШ-13, местные обмотки которых включают противофазно к выходу преобразователя П2, а путевые — в фазе к выходу преобразователя П1. При одновременном включении преобразова­теля в произвольный момент времени колебания частотой 25 Гц на их выходах могут отличаться на угол 90 или 270° (+90°), так как оба преобразователя питаются от одной и той же сети пере­менного тока 50 Гц и питающие напряжения сдвинуты на угол 180°.

Если при одновременном включении преобразователей напряже­ния окажутся согласованными по фазе (т. е. напряжение питания путевых элементов отстает по фазе от напряжения питания мест­ных элементов на угол 90°), то возбудится контрольное реле 1ПК, через фронтовые контакты которого напряжение от преобразо­вателя П1 будет подаваться к путевым трансформаторам. Если же после включения преобразователей их напряжения на выходе окажутся не согласованными, то возбудится контрольное реле 1МК, контактами которого изменяется на 180° фаза напряжения, пода­ваемого для питания путевых трансформаторов, и между напря­жениями преобразователей принудительно устанавливаются те же фазовые соотношения. Этим достигается сдвиг между напряже­ниями питания путевых трансформаторов и местных элементов.

Схема некодируемой двухниточной рельсовой цепи с двумя дроссель-трансформаторами (рис. 5) является основной схе­мой станционных рельсовых цепей. На питающем и релейном кон­цах установлены дроссель-трансформаторы ДТ-1-150 и трансформа­торы ПРТ-А, согласующие высокое сопротивление аппаратуры с относительно низким входным сопротивлением рельсовой линии. На питающем конце трансформатор используют в качестве питаю­щего, а на релейном — в качестве изолирующего. Ограничивающий резистор Ro обеспечивает необходимую шунтовую чувствитель­ность. Общее сопротивление резистора Ro и соединительных про­водов между путевым трансформатором и дроссель-трансформато­ром должно быть примерно 1 Ом. Автоматические выключатели АВМ на 10 А, установленные на питающем и релейном концах, предназначены для отключения аппаратуры при превышении тока асимметрии расчетного значения. АВМ фактически срабатывает при токе асимметрии, большем 40 А.           

Рис. 5. Схема некодируемой двухниточной РЦ переменного тока 25 Гц

Предельная длина рельсовой цепи, при которой обеспечива­ются все режимы, равна 1200 м; мощность, потребляемая РЦ предельной длины, в нормальном режиме —8, в режиме короткого замыкания - 15,5 В·А. РЦ регулируют из­менением напряжения на вторичной обмотке путевого трансформа­тора от 0,5 до 12 В ступенями через 0,5 В так, чтобы напряжение на рельсах релейного конца было не менее 0,33 В (для реле ДСШ-13) при минимальном сопротивлении изоляции рельсовой линии. Напря­жение на путевой обмотке реле ДСШ-13 должно быть при этом не менее 15 В.

Ложное срабатывание путевого реле от источника тока смеж­ной цепи при замыкании изолирующих стыков исключается чере­дованием мгновенных полярностей напряжения в смежных РЦ. Питание перегонной кодовой РЦ, гранича­щей со станционной, должно обеспечиваться от станционного пре­образователя с соблюдением чередования мгновенных полярностей напряжения у изолирующих стыков. При длине кодовой РЦ участка приближения до 1000 м допускается ее питание от собственного преобразователя частоты. Путевое реле РЦ входного участка в этом случае необходимо устанавливать со стороны станции.

Наличие напряжения помехи частотой 50 Гц на путевой об­мотке реле ДСШ-13 от тока асимметрии хотя и не вызывает лож­ного срабатывания путевого реле, но оказывает мешающее дейст­вие на его работу. При наличии помехи наблюдаются колебания и вибрации сектора путевого реле, ухудшающие условия его работы, поэтому для защиты реле от воздействия тягового тока парал­лельно путевой обмотке включают защитный блок ЗБ типа ЗБ-ДСШ (рис. 11.8). Он состоит из индуктивности катушки L (0,845 Гн) и емкости конденсаторов C1, C2 и СЗ (12 мкФ). Для подстройки можно подключать конденсатор С4 емкостью 1 мкФ. Дроссель имеет три обмотки: основную / и подстроечные // и ///. Детали блока размещены в корпусе реле НШ, установленном на штепсельной ро­зетке. Масса блока —2,83 кг.

Рис. 11.8. Схема защитного фильтра ЗБ-ДСШ

Индуктивность катушки и конденсатор образуют последова­тельный контур, настроенный в резонанс на частоту тока 50 Гц. На этой частоте индуктивное сопротивление контура (280 Ом) компенсируется емкостным сопротивлением конденсаторов, поэто­му полное сопротивление контура минимально и имеет активный характер. Малое сопротивление контура, пересчитанное к основной обмотке дроссель-трансформатора, значительно снижает сопротив­ление релейного конца тяговому току, поэтому напряжение помехи на обмотке путевого реле резко снижается. Добротность контура — не менее 10, а полное сопротивление переменному току частотой 50 Гц — не более 28 Ом. Для сигнального тока частотой 25 Гц сопро­тивление контура составляет примерно 400 Ом (рис. 11.9) и имеет емкостный характер (X_C>X_L), поэтому контур одновременно компен­сирует реактивную (индуктивную) составляющую тока путевой обмотки реле ДСШ и тем самым повышает сопротивление релей­ного конца для сигнального тока частотой 25 Гц.

Рис. 11.9. График зависимости сопротивления фильтра ЗБ-ДСШ от частоты

Схема допускает наложение кодирования с питающего и ре­лейного конца (рис. 11.10). Кодирование с питающего конца осу­ществляется от путевого трансформатора контактом трансмиттерного реле Т. Кодирование включается с момента вступления поезда на рельсовую цепь, когда размыкается тыловой контакт собственного путевого реле.

Рис. 11.10. Схема кодируемой фазочувствительной рельсовой цепи переменного тока

Чтобы кодирование включалось только при движении поездов в установленных маршрутах, контакт трансмиттерного реле шунти­руют тыловым контактом кодововключающего реле КВ. Для исклю­чения искрообразования на контакте реле Т параллельно первич­ной обмотке путевого трансформатора включают искрогасящий кон­тур, состоящий из резистора Rи=40 Ом и конденсатора Си =4 мкФ. При кодировании с релейного конца дополнительно устанавливают кодовый трансформатор КТ типа ПТ-25А и ограничивающий резис­тор сопротивлением 200 ОМ.

В кодированных рельсовых цепях при шунтировании поездом входного конца ток АЛС в рельсах должен быть не менее 1,4 А при минимальном сопротивлении изоляции рельсовой линии.

На боковых станционных путях применяют двухниточную одно­дроссельную рельсовую цепь с установкой дроссель-трансформато­ра на питающем конце (рис. 11.11). Питающий конец однодроссель­ной рельсовой цепи такой же, как и в схеме рельсовой цепи с двумя дроссель-трансформаторами. Для обеспечения согласования аппаратуры с низким входным сопротивлением рельсовой линии коэффициент трансформации изолирующего трансформатора повы­шен с 18 до 40, так как на релейном конце дроссель-трансфор­матор отсутствует. Мешающее влияние тягового тока проявляет­ся в основном при замыкании изолирующих стыков на релейном конце.

Рис. 11.11. Схема двухниточной однодроссельной рельсовой цепи переменного тока 25 Гц

Для защиты путевого реле от воздействия тягового тока при­меняют электрический фильтр ЗБ-ДСШ и автоматический выклю­чатель многократного действия АВМ на 5 А. Предельная длина однодроссельной рельсовой цепи равна 1200 м.

Для исключения ложного срабатывания путевого реле от тока смежной рельсовой цепи у изолирующих стыков необходимо обес­печить чередование мгновенных полярностей напряжения.

На некодируемых участках пути и стрелочных участках длиной до 500 м применяют однониточную рельсовую цепь 25 Гц (рис. 11.12). Рельсовая цепь получает питание от путевого трансформатора ПТ типа ПРТ-А, ограничителем является резистор Rо=2,2 Ом. На релейном конце для согласования высокого сопротивления путевого реле (примерно 400 Ом) с низким входным сопротивлением рельсо­вой линии (примерно 0,5 Ом при частоте сигнального тока 25 Гц) устанавливают изолирующий трансформатор РТ типа ПРТ-А. Для защиты от воздействия тягового тока применен защитный блок типа ЗБ-ДСШ и автоматический выключатель АВМ.

Ещё посмотрите лекцию "Манометры. Единицы давления" по этой теме.

Рис. 11.12. Схема однониточной рельсовой цепи переменного тока 25 Гц

Для исключения срабатывания реле занятой цепи от источни­ка смежной рельсовой цепи при повреждении изолирующих стыков предусматривают чередование мгновенных полярностей напряжения в смежных цепях. В однониточных рельсовых цепях исправность изолирующих стыков дополнительно контролируют с помощью тяго­вой перемычки, соединяющей тяговые нити смежных цепей. При замыкании изолирующих стыков шунтируется данная или смежная с ней рельсовая цепь, сектор путевого реле опускается, фиксируя неисправность цепи.                           

На станциях участков с электрической тягой переменного тока ранее проектировались и находятся в эксплуатации импульсные рельсовые цепи переменного тока 75 и 25 Гц.

С целью исключения ложного возбуждения повторителя путе­вого реле, когда импульсное реле начинает работать от тока смеж­ной рельсовой цепи при замыкании изолирующих стыков в смеж­ные рельсовые цепи посылают импульсы разной последователь­ности и применяют схемную защиту. Для защиты от тягового тока применяют электрические фильтры ФП-25 или ФП-75 используемые в перегонных кодовых рельсовых цепях.

Импульсным цепям присущ ряд недостатков, снижающих их эксплуатационно-технические характеристики. Основными из них являются большое число реле, работающих в импульсном режиме (это приводит к быстрому износу аппаратуры, снижению надежности действия и необходимости частого ее осмотра и ремонта, снижающих производительность труда); сложность схемной защиты от ложного возбуждения повторителя путевого реле при коротком замыкании изолирующих стыков.

При новом проектировании и строительстве устройств СЦБ, а также при их модернизации на станциях применяют рассмотренные выше непрерывные рельсовые цепи переменного тока 25 Гц с фазочувствительными путевыми реле, обладающие более высо­кой надежностью действий и защитой от воздействия помех тяго­вого тока.