2. Основы теории рельсовых цепей

2.1. Особенности работы и расчёта рельсовых цепей

Рельсовая цепь как датчик автоматизированной системы нахо­дит­ся в особых условиях работы, которые характеризуются раз­лич­ного рода воздействиями на неё. Различают следующие воздействия на рельсовую линию:

– непрерывные, связанные с изменением параметров рель­совой линии под влиянием внешних факторов (тем­пе­ра­ту­ра и влажность воздуха, загрязнённость, запыленность и засо­лён­ность ж.д. полотна и т.п.);

– дискретные воздействия, например, при наложении сосредоточенной проводимости (поездного шунта), полном электрическом разрыве (повреждении, изъятии рельса или любого узла рельсовой цепи);

– помехи.

Реакция РЦ на эти воздействия выражается в виде изменения уров­ня и фазы сигнала на входе путевого приёмника. При заданном сопро­тив­­лении последнего и выбранном напряжении генератора не­пре­­рыв­ные воздействия не должны вызывать обесточивание путевого реле, а дис­­­крет­ные, наоборот, снижать ток до уровня надёжного не­сра­ба­ты­ва­ния. Поэтому сложный процесс работы РЦ рассчитывают в трёх основных режимах, соответствующих различным воздействиям: нор­мальном, когда цепь исправна и свободна, шунтовом, когда РЦ шун­тирована колёсными парами, и контрольном, когда РЦ по­вреж­де­на (рис. 2.1). Поскольку непрерывное воздействие выражается в изменении пер­вичных параметров РЦ, то считается, что на условия работы цепи в каждом из режимов влияют три независимые переменные вели­чи­ны: проводимость изоляции У_и, сопротивление рельсов z и на­пря­жение генератора Ů.

Расчёт РЦ выполняется на основе теории линий и четырёх­по­люс­ников, требующей знания первичных и вторичных параметров РЦ.

Таблица 2.1

Режимы работы рельсовых цепей

Режим	Расчётные значения параметров			Состояние пут. реле
	zр, Ом/км	уи, Сим/км	Uн, В
Нормальный	max	max	min	Возбуждено
Шунтовой	min	min	max	Без тока
Контрольн.	min	критическ.	max	Без тока

Рис. 2.1. Контрольный режим работы рельсовой цепи

Если у_и = min, то i_р – min ≥ П.

Если у_и = max, то i_р – max ≥ П, следовательно, у_и – критическое.

2.2. Первичные параметры рельсовой линии

Электрические свойства рельсовой линии определяются удель­ной электрической проводимостью изоляции у_и 1/Ом · км (Сим/км) или сопротивлением балласта r_б, Ом/км и удельным электрическим сопротивлением рельсов z_p, Ом/км.

Под электрической проводимостью изоляции рельсовой линии подразумевается проводимость для токов утечки от одной нити к другой через шпалы, балласт и грунт (рис. 2.2).

В связи с этим проводимость изоляции определяется электрохимическими процессами, протекающими на границах между элементами электрон­ной и ионной проводимости, и зависит от всех факторов, влия­ю­щих на скорость их протекания: метеоусловий, качества и состояния балласта, высоты балластного слоя, типа, числа и состояния шпал, состава антисептиков и способов пропитки деревянных шпал и др.

Рис. 2.2. Схема прохождения токов в рельсовой цепи

Электрохимической природой проводимости изоляции рельсовой ли­нии объясняется невозможность ее точного аналитического расчё­та, и поэтому определяются условия, при которых проводимость изо­ля­­ции достигает максимума и минимума. Максимальная прово­ди­мость изоляции – летом в жаркую погоду после проливного дождя, ког­­да действуют одновременно два неблагоприятных фактора: высо­кая температура и большая влажность балласта и шпал, способ­ству­ю­щие ускорению электрохимических реакций. Минимальная прово­ди­мость изоляции – в зимнее время при низкой температуре и влаж­но­сти, когда электрохимические процессы заторможены. В общем случае выражение для удельной проводимости изоляции у_и можно представить в виде:

у_и = q_и + jωС_иэ =‌‌‌ |‌‌у_и| е^jφ , Сим/км; (2.1)

где q_и – активная составляющая проводимости, Сим/км;

С_иэ – эквивалентная ёмкость для токов утечки, Ф/км;

ω = 2πf – угловая частота сигнального тока, Рад/с,

f – частота сигнального тока.

Исследования показывают, что при частоте сигнального тока до 2 тыс. Гц проводимость изоляции является активной.

Аналитически невозможно точно определить удельную прово­ди­мость изоляции рельсовой линии. Измерениями установлено, что для:

– щебёнки у_и = 0,5 Сим/км (r_б = 2,0 Ом·км);

– гравия у_и = 0,66 Сим/км (r_б = 1,5 Ом∙км);

– песка у_и = 1,0 Сим/км (r_б = 1,0 Ом·км).

Нормативная величина максимальной проводимости изоляции (бал­ласта) на отечественных железных дорогах установлена у_и = 1 Сим/км (r_б = 1,0 Ом·км).

Под электрическим сопротивлением рельсов подразумевается сопротивление рельсовой петли (обеих рельсовых нитей), состоящее из сопротивления собственно рельсов и рельсовых стыков.

Удельное сопротивление рельсовой петли определяется как сопро­тив­ление обеих нитей со стыковыми соединителями и накладками, от­не­сенное к 1 км рельсовой нити, и в общем случае является также ком­п­лексной величиной, которая ориентировочно может быть вычислена как:

Z_p=r_oa+jωL= |Z_p| e^jφ Ом/км, (2.2)

где r_oa – общее активное сопротивление рельсовой петли, Ом/км;

L – общая индуктивность рельсовой петли, Гн/км.

Величина r_oa включает в себя активное сопротивление собственно рель­сов и стыковых соединителей, а L внешнюю и внутреннюю ин­дук­­тивность рельсовой петли и соединителей.

На основании измерений приняты следующие нормативные вели­чи­­ны максимального удельного сопротивления рельсов Z_p для пере­мен­ного тока: частотой 50Гц – 1,0е^j56° Ом/км при стальных штеп­сельных, 0,85е^j60° Ом/км при стальных приварных и 0, 8е^j65° Ом/км при медных приварных соединителях; частотой 75 Гц – 1,07е^j68° Ом/км и частотой 25Гц – 0,5е^j52° Ом/км при медных приварных соединителях.

Отсюда видно, что вид соединителей для РЦ переменного тока су­ще­­ст­венно не влияет на |Z_p|, а применение медных соединителей вы­з­ва­­но только стремлением уменьшить сопротивление рельсов тяго­во­му току. Для РЦ постоянного тока со стальными штепсельными со­е­ди­нителями r = (0,3 – 0,6) Ом/км; со стальными приварными r = (0,1 – 0,2) Ом/км. Отсюда следует, что в рельсовых цепях постоянного тока со­противление рельсов может быть значительно уменьшено приме­не­нием стыковых соединителей с малым сопротивлением.