Interference with the equipment of rail circuits and automatic locomotive signaling means of protection. 9785907055902

Citation preview

В.И. Шаманов

ПОМЕХИ НА АППАРАТУРУ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ И АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ. СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ Рекомендовано Федеральным учебно-методическим объединением в системе высшего образования по укрупненным группам специальностей и направлений подготовки 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта» в качестве учебного пособия для использования в учебном процессе образовательных организаций и учреждений, реализующих образовательные программы по специальност и 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов», специализаций «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте», «Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта», «Электроснабжение железных дорог» по дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты». Регистрационный номер экспертного заключения 6/18 от 23 ноября 2018 г.

Москва 2019

УДК 656.25 ББК 39.275 Ш19 Р е ц е н з е н т ы : заведующий кафедрой «Электроснабжение электрических железных дорог» ИТТСУ РУТ(МИИТ), доктор технических наук, профессор М.П. Бадер; первый заместитель генерального директора ОАО «НИИАС», доктор технических наук, профессор Е.Н. Розенберг

Шаманов В.И. Ш19 Помехи на аппаратуру рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации. Средства защиты : учеб. посо бие. — М.: ФГБУ ДПО «Учебно-методиче ский центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2019. — 303 с. ISBN 978-5-907055-90-2 В данном учебном пособии изложены сведения об источниках опасного и мешающего влияния на работу аппаратуры рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации, а также технические условия работы этой аппаратуры, рассмотрены электрические и магнитные параметры рельсовых линий, процессы возникновения асимметрии тягового тока. Кроме того, здесь приведены данные по источникам возникновения импульсных перенапряжений и средствам защиты от них, а также рассмотрены методы расчетов фильтров, используемых в рельсовых цепях, и методы оценки эффективности этих фильтров и предложены пути повышения помехоустойчивости рассматриваемой аппаратуры. Книга предназначена для студентов вузов по направлению 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов», может быть полезно аспирантам, научным сотрудникам, а также специалистам, связанным с разработкой и эксплуатацией устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. УДК 656.25 ББК 39.275

ISBN 978-5-907055-90-2

© Шаманов В.И., 2019 © ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2019

Введение Надежность и устойчивость работы систем железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) напрямую влияет на безопасность движения поездов, оказывая существенное действие на пропускную способность участков и участковую скорость движения поездов, а также в значительной степени — на величину расходов на эксплуатацию технических средств. В последние десятилетия устойчивость работы систем ЖАТ все в большей степени зависит от электромагнитной совместимости (ЭМС), т.е. от способности данных систем сохранять требуемое качество функционирования при воздействии на них электро магнитных помех, не создавая при этом электромагнитных помех другим техническим средствам. Это вызвано двумя взаимосвязанными обстоятельствами — увеличением количества электрических устройств, излучающих помехи, и понижением уровня полезного сигнала. В системах ЖАТ действию помех в наибольшей степени подвержена аппаратура рельсовых цепей (РЦ) и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС), особенно на электрифицированных участках железных дорог. Сигнальные токи для этих устройств передаются по рельсовым линиям, по которым пропускаются также тяговые токи — их величина может на два порядка превышать величину сигнальных токов, а частоты помех в их спектре мало отличаются от частот сигнальных токов. Рельсовые линии подвергаются повышенным электромагнитным воздействиям, достаточно большим динамическим, механическим и температурным нагрузкам. Территориальная рассредот оченность напольных устрой устройств ств затрудняет организацию профилактических и ремонтных работ этих устройств, увеличивает трудоемкость и длительность времени их восстановления. Использование нелинейной элементной базы в тяговой сети электроснабжения и на локомотивах вместе с громадным достоин3

ством принесло с собой массу негативных явлений, ухудшающих электромагнитную обстановку вследствие искажения формы тягового тока. В результате повышаются уровни помех от тягового тока, спектр частот которых содержит не только гармоники промышленной частоты, но и другие частоты, в том числе низкочастотные импульсные помехи. Проблема ЭМС систем ЖАТ является многогранной. Ее вопросами занимались отечественные и зарубежные ученые. Результаты изложены в докторских диссертациях М.П. Бадёра, К.А. Бочкова, А.М. Костроминова, А.Д. Манакова, А.П. Разгонова, в монографиях И.Г. Евсеева, Р.Н. Карякина, А.В. Котельникова, Б.И. Косарева, А.А. Леонова, В.И. Шаманова, в ряде кандидатских диссертаций и в многочисленных статьях. Большой объем работы в этой области был выполнен научными коллективами под руководством А.М. Брылеева и В.М. Лисенкова. Источников помех на рассматриваемую аппаратуру достаточно много, а устойчивость работы аппаратуры зависит от быстро изменяющихся во времени сочетаний уровней и частотного спектра помех от различных источников. Это затрудняет выявление причин неустойчивой работы аппаратуры по результатам фиксации условий, вызвавших сбои в ее работе. Только хорошие знания процессов возникновения, распространения и проникновения в аппаратуру электромагнитных помех дают возможность обеспечивать при минимальных затратах требуемую устойчивость работы аппаратуры РЦ и АЛС в сложной электромагнитной обстановке. Такие знания позволяют заблаговременно распознать маловероятные и несущественные влияния и избежать излишних трат на защиту от вызываемых ими помех, на бесполезные мероприятия.

Список сок сокращен ращений ий и условны условныхх об обозначени означений й АБ АБТ АБТЦ АБЧК АВМ АК АЛС АЛСН АЛ СН АПС АРС БЗИП БВ ВАК ВНИИАС

ВНИИЖТ ВОЦН ГВ ГИД ГП ДТ ДНЦ ДСП ДСШ ЖАТ ЗБ

— автоблокировка — автоблокировка с тональными рельсовыми цепями — автоблокировка с тональными рельсовыми цепями и централизованным размещением аппаратуры — числовая кодовая автоблокировка — автоматический выключатель тока многократного действия — аккумулятор — автоматическая локомотивная сигнализация — автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного типа — автоматическая переездная сигнализация — автоматическое регулирование скорости — блок защиты от импульсных перенапряжений — блок выпрямителя — выпрямитель аккумуляторный — Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатиза ции, автоматизации и связи МПС России — Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта — выравниватель оксидно-цинковый низковольтный — главный выключатель — график исполненного движения — генератор путевой — дроссель-трансформатор — поездной диспетчер — дежурный по станции — двухэлементное секторное реле — железнодорожная автоматика и телемеханика — защитный блок 5

ЗУ ЗШ ИПМ

— заземляющее устройство — шина заземления — искровой разрядный прибор многократного действия ИРГУПС ИРГ УПС — Иркутский государственный университет путей сообщения ИПМ — искровой разрядный прибор многократного действия ИТп — изолирующий трансформатор на питающем конце рельсовой цепи ИТр — изолирующий трансформатор на релейном конце рельсовой цепи КЗУ — каскадное устройство защиты КЛУБ — комплексное локомотивное устройство безопасности КРП — контрольно-ремонтный пункт локомотивного депо КПТО — комплектная трансформаторная подстанция однофазная КПТШ — кодовый путевой трансмиттер штепсельный КТ — кодовый трансформатор КЭБ — кодовая автоблокировка на электронной элементной базе ЛЭП — линия электропередачи ЛЭТИ ЛЭ ТИИЖ ИЖТ Т — Ленинградский электротехнический институт инженеров железнодорожного транспорта НВШ — низковольтный шкаф ПГ — путевой генератор рельсовой цепи ПКТБ ЦШ — Проектно-конструкторское технологическое бюро железнодорожной автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» ПП — путевой приемник ПРТ — путевой релейный трансформатор ПРЦ — приемник сигналов рельсовой цепи ПТ — путевой трансформатор рельсовой цепи ПТр — путевой трансформатор ПЧ — преобразователь частоты ПЯ — путевой ящик 6

РЗФ РВНШ

— блок защитный для однониточных рельсовых цепей — разрядник вентильный низковольтный штепсельный РКВН — разрядник керамический с оксидно-цинковыми варисторами и ножевыми выводами РКН — разрядник керамический с ножевыми выводами РОБС — реактор однофазный броневой сухой РЦ — рельсовая цепь РШ — релейный шкаф РТ — релейный трансформатор ТС — техническое средство ТУ — технические условия ТЯ — трансформаторный ящик УЗИП — устройство защиты от импульсных перенапряжений УЗП — устройство защиты от перенапряжений УЗТ — устройство защиты тиристорное ФП — фильтр путевой ФЛ — фильтр локомотивный ФРЦ — фильтр рельсовой цепи ЦНИИ МПС — Центральный научно-исследовательский институт Министерства путей сообщения СССР ШУЗВ — шкаф устройств защиты с размещением в помещении ШУЗН — шкаф устройств защиты с размещением вне помещения ЭДС — электродвижущая сила ЭМО — электромагнитная обстановка ЭМС — электромагнитная совместимость ЭЦ — электрическая централизация LPL — уровень защиты от молнии (lightning protection level) LPZ — зона защиты от молнии (lightning protection zone)

1. ПОМЕ МЕХ Х И Н А РА БОТ БОТУ У РЕ РЕЛЬСО ЛЬСОВ ВЫ Х ЦЕ ЦЕПЕЙ ПЕЙ И А ВТОМ ОМА АТИЧЕСКОЙ ЛОКОМО ЛОКОМОТ ТИВНОЙ СИГНА СИГН А ЛИ ЛИЗА ЗАЦИИ ЦИИ

1.1. Электр ектрома омагнитная гнитная со совм вместим естимость ость Электромагнитная совместимость технических средств (ЭМС) — это способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не со здавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средством [11]. Под техническим средством здесь понимается изделие, аппаратура или их составные части, функционирование которых основано на законах электротехники, радиотехники и/или электроники, содержащие электронные компоненты и/или схемы, которые выполняют одну или несколько следующих функций: усиление, генерирование, преобразование, переключение и запоминание [11]. На рельсовые цепи (РЦ) и устройства автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) действуют, в основном, электромагнитные помехи — электромагнитные явления и процессы, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства [11]. Эти помехи могут быть также следствием протекания электрохимических процессов в токопроводящих элементах рельсовых нитей, механических и климатических воздействий на них. Уровень ЭМС оценивается максимальным уровнем ожидаемой электромагнитной помехи, которая будет воздействовать на техническое средство в конкретных условиях эксплуатации. В качестве такого уровня принимается не абсолютный максимальный уровень этой помехи, а уровень, который может быть превышен с определенной вероятностью. 8

Для характеристики диапазона уровней электромагнитной помехи определенного вида в рассматриваемом месте размещения технического средства используют условную величину — степень интенсивности электромагнитной помехи. Качество функционирования аппаратуры в условиях действия помех оценивают помехоустойчивостью и помехозащищенностью. Помехоустойчивость характеризует способность системы пере пере-дачи информации противостоять искажающему действию помех [11]. Уровень помехоустойчивости оценивается интенсивностью или максимальным уровнем рассматриваемой электромагнитной помехи, воздействующей на конкретное техническое средство, при котором сохраняется требуемое качество его функционирования. Чем выше интенсивность или максимальный уровень помехи, при которых устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость. Системы АЛС и РЦ — системы передачи информации, которые можно отнести к своеобразным системам связи. Система АЛС — это система передачи информации от установленного на пути передатчика к локомотивному приемнику с использованием индуктивной связи локомотивных приемных катушек с кондуктивной линией связи — рельсами. РЦ также можно рассматривать как своеобразную систему передачи информации от путевого генератора к путевому приемнику, у которой рельсовая линия связи выполняет еще и функции датчика, работая в разных режимах. Под помехоустойчивостью системы связи понимают способность системы различать (восстанавливать) сигналы с заданной достоверностью при наличии помех. В общем случае помехоустойчивость системы связи зависит от вида передаваемых сообщений, уровня и характеристик помех, параметров составных частей системы [35]. Под потенциальной помехоустойчивостью понимают предельно достижимую помехоустойчивость при заданных сигналах и помехах. Эту помехоустойчивость обеспечивает специально сконструированный оптимальный (наилучший) приемник. Потенциальная помехоустойчивость определяет то предельное качество, которое можно получить в заданной системе связи, но нельзя превысить никакими способами обработки сигнала при существующей помехе. Реальная помехоустойчивость — это помехоустойчивость системы связи или отдельных ее звеньев с учетом реального выполнения 9

и настройки узлов канала электросвязи (передающего и приемного трактов, линии связи, передатчика и приемника сигналов). Вызвано это тем, что теоретически и технологически не все узлы канала связи можно сделать идеально с требуемыми параметрами, а при эксплуатации всегда имеются неточности настройки параметров тех или иных узлов. Реальная помехоустойчивость зависит от множества факторов и параметров отдельных звеньев системы связи и всегда меньше теоретической предельной потенциальной помехоустойчивости. Помехоустойчивость технического средства обеспечивается тем, что все возможные формы помех снижаются до приемлемого уровня. При этом требуется, чтобы электромагнитная обстановка для определенных условий эксплуатации объекта была достаточно хорошо известна. Снижение уровня помех можно обеспечить за счет проведения определенных работ в линии связи. Для РЦ и АЛС — это меры по уменьшению скорости и пределов изменения электрических и магнитных свойств элементов рельсовых линий в процессе их эксплуатации. Повышение помехоустойчивости системы можно обеспечить также использованием более сложных самовосстанавливающихся (корректирующих) кодов, позволяющих не только обнаружить, но и исправлять ошибки при приеме. Для этого применяют также более совершенные способы обработки сигнала. Применение более сложного кода не гарантирует повышение помехоустойчивости системы. Например, в канале АЛС-ЕН системы КЛУБ (КЛУБ — комплексное локомотивное устройство безопасности) использован помехозащищенный модифицированный кода Бауэра вместо числового кода в системе АЛСН. Однако в первых модификациях системы КЛУБ какого-либо повышения помехоустойчивости по сравнению с системой АЛСН на участках с электротягой переменного тока получено не было. А на некоторых участках Транссибирской магистрали, электрифицированных на переменном токе, система КЛУБ работала при действии помех даже менее устойчиво, чем система АЛСН. И только усовершенствование процесса обработки сигналов обеспечило то, что помехоустойчивость системы КЛУБ-У стала несколько превосходить помехоустойчивость системы АЛСН. 10

Помехозащищенность — способность ослаблять действие элек элек-тромагнитной помехи за счет дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения технического средства [11]. Помехозащищенность технических средств обеспечивают за счет использования фильтров и электромагнитных экранов, применения устройств для компенсации помех, а также различных элементов для защиты от токовых перегрузок и перенапряжений и т.д. На европейском уровне разработку норм и требований, относящихся к обеспечению ЭМС-оборудования, осуществляют Европейский комитет по стандартизации CEN (фр. Comité Européen de Normalisation), Европейский комитет по электротехническим стандартам CENELEC (фр фр.. Comité Européen de Normalisation Électrotechnique) и Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций ETSI (англ. European Telecommunications Standards Institute).

1.2. Элект лектрома ромагн гнит итная ная обс обстановк тановка а Электромагнитная обстановка (ЭМО) — совокупность электро электро-магнитных явлений и процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазонах [11]. Цель проведения работ по оценке ЭМО — определение причин неустойчивой работы РЦ и/или АЛС на конкретном участке железной дороги. Процесс возникновения электромагнитных помех в РЦ и АЛС многофакторный, а причины многочисленны и часто взаимозависимы. Поэтому процесс выявления причин повышенной интенсивности отказов относительно сложен и трудно формализуем. ЭМО наиболее сложна на участках с электротягой переменного тока, где уровни гармонических помех от тягового тока на аппаратуру автоблокировки (АБ) и электрической централизации (ЭЦ) значительно выше, чем на участках с электротягой постоянного тока. Наибольшую опасность для аппаратуры РЦ и АЛС представляют импульсные перенапряжения от грозовых разрядов, коммутационные импульсные воздействия и длительные перенапряжения, возникающие при аварийных режимах в контактной сети и в высоковольтных электросетях. 11

Устойчивость работы аппаратуры РЦ и АЛС определяется в основном уровнем и частотным спектром непрерывных помех, источниками которых являются тяговые токи и токи высоковольтных линий электроснабжения. Полное описание ЭМО в условиях эксплуатации технического средства невозможно и не требуется, поэтому описание ограничивается некоторыми характеристиками этой обстановки. Часть аспектов окружающей ЭМО при этом игнорируется, если информация о них отсутствует или потому, что принятие их во внимание сделало бы описание слишком сложным для практического использования. Наиболее формализована в настоящее время оценка ЭМО по условиям влияния разрядов молнии на технические системы. При разработке мер защиты от тока молнии выбирают соответствующий уровень защиты от молнии LPL (Lightning Protection Level), который определяется числом, соответствующим набору значений параметров тока молнии, и характеризует вероятность того, что взаимосвязанные максимальные и минимальные значения параметров технического средства системы не будут превышены при воздействии молнии. Зона защиты от молнии LPZ(Lightning Protection Zone) — это зона, для которой установлены параметры электромагнитной среды при ударе молнии. В соответствии с ГОСТ [10] и Концепцией [20] защита от перенапряжений устройств РЦ и АЛС должна соответствовать следующим зонам защиты от молнии: – защита напольных устройств должна соответствовать требованиям к зоне LPZ Oа, в которой угроза возникает из-за прямого удара молнии и воздействия электромагнитного поля молнии; – защита путевых и релейных трансформаторов, а также другой аппаратуры РЦ, подключаемой к рельсовым линиям через ДТ или без них, должна соответствовать требованиям к защищенной от прямых ударов молнии зоне LPZ O в, в которой существует угроза воздействия электромагнитного поля молнии; – защита аппаратуры, расположенной на постах ЭЦ, должна соответствовать требованиям к зоне LPZ I, в которой электрический ток и скачки напряжения ограничены путем перераспределения электрического тока и применения изолирующих 12

средств и/или нескольких устройств защиты от импульсных перенапряжений на границах областей защиты от молнии. Применение пространственного экранирования может ослабить воздействие электромагнитного поля молнии. При анализе ЭМО необходимо различать перенапряжения, действующие на изоляцию (провод—земля) и на вводы устройств (провод—провод). Допустимые уровни этих перенапряжений для электронных устройств ЖАТ отличаются. Так, например, при допустимых перенапряжениях в единицы и десятки вольт на входе/ выходе таких устройств допустимые перенапряжения для изоляции могут составлять сотни и тысячи вольт. ЭМО в местах функционирования РЦ и АЛС зависит от многих факторов и может изменяться очень быстро, особенно на электрифицированных участках железных дорог. Уровень помех на таких участках зависит от способов регулирования скорости вращения тяговых двигателей и от способов электрического торможения поездов. На уровень помех влияет плотность поездопотока, скорость движения поездов и их масса. На ЭМО могут влиять типы используемых дроссель-трансформаторов (ДТ) и рельсовых тяговых соединителей, конструкция и качество содержания верхнего строения пути. ЭМО быстро меняется при приближении поезда или при его удалении от места проведения измерений. ЭМО имеет свои особенности на участках с бесбалластным строением пути, при скальных и вечномерзлых грунтах, на искусственных сооружениях. ЭМО для путевых приемников РЦ в местах их установки и для локомотивных приемников АЛС при движении локомотива над этими точками пути различна. Это весьма усложняет организацию экспериментальных работ по оценке ЭМО и обработку полученных результатов. Изменения поездной обстановки и изменения режимов ведения поездов на участке могут существенно менять ЭМО за время проведения измерений. Однако современные цифровые средства измерений позволяют запоминать результаты измерений, проведенные на достаточно длительном отрезке времени. Это дает возможность при проведении анализа выбирать требуемые отрезки записанных данных с учетом информации, получаемой на магистральных железных дорогах с помощью системы ГИД «Урал». 13

Цель проведения работ по анализу ЭМО определяет и методы, используемые при этом. Чаще всего необходимость оценки ЭМО возникает на участках с повышенной интенсивностью помех. На электрифицированных участках железных дорог такие работы начинают обычно с измерений тягового тока в рельсовых линиях и его асимметрии в местах с повышенной интенсивностью сбоев в работе РЦ и/или АЛС. Затем проводится анализ величины и гармонического состава тягового тока, а также параметров импульсных помех при их наличии в тяговом токе [41]. Процессы изменения во времени сигналов помех в рельсовых линиях там, где к ним подключается аппаратура РЦ, или изменения сигналов помех одновременно во времени и по длине рельсовой линии в приемных локомотивных катушках АЛС являются случайными (стохастическими, вероятностными). Это процесс с непрерывным временем и дискретными состояниями, если помехи импульсные, или с непрерывным временем и непрерывными состояниями, если это помехи вызываются гармониками тягового тока. Однако даже в последнем случае помехи в локомотивных катушках АЛС или на входе путевого приемника РЦ могут проявляться импульсно при появлении выбросов в сигналах помех. Рассматриваемые процессы нестационарны, т.к. по мере развития деградационных процессов в элементах рельсовых нитей, при изменениях температуры рельсов и тягового тока в них изменяется величина асимметрии сопротивления рельсовых нитей, а, следовательно, и асимметрия тягового тока. На величину асимметрии тягового тока в рельсовой линии влияют также случайные изменения во времени токов в контактной и в тяговой рельсовых сетях, в соседних рельсовых линиях, в расположенных вблизи высоковольтных линиях. Однако на известных отрезках времени и с известным приближением рассматриваемые процессы могут быть приняты за стационарные. Выбросом стационарного случайного процесса называют превышение реализацией этого процесса некоторого предела. В системах АЛС и в РЦ таким пределом является уровень сигнала помехи, вызывающий сбой в их работе. При обследовании ЭМО приходится решать две задачи — фиксация этого процесса и обработка массива полученных данных. 14

Наличие в настоящее время записывающих цифровых многоканальных осциллографов разного исполнения, а также различного рода датчиков для измерения электрического тока или напряжения, дает возможность достаточно просто решать первую задачу. Решение второй задачи зависит от поставленной цели. Например, для оценки работоспособности тональных РЦ при воздействии тяговых токов электроподвижного состава с частотным регулированием скорости вращения асинхронных тяговых двигателей переменная составляющая тягового тока записывалась в междроссельной перемычке ДТ в разных режимах движения электропоезда «Сапсан». В качестве датчика тока использовалась катушка Роговского типа FLUKE 13000s, а ее выходные сигналы записывались регистратором A1717-U U8. Характерная осциллограмма рассматриваемого тока показана на рис. 1.1 [23]. Записанные данные использовались для экспериментального определения на специально разработанном стенде того, какое воздействие оказывают помехи от тягового тока электропоезда «Сапсан» на работу тональных РЦ с аналоговым приемником типа ПП1, ПП 1, а также с цифровыми приемником типа ПМП ПМП3. 3.

Р ис. ис.1 1.1. Осц Осци и л лог логра рам м м а пер перемен еменной ной со сосс та тав в л я ющей т ок ока а эл элек ектт р опое опоезз да «Са «С а пс пса а н» в меж межд д р о сс ссе е л ьно ьной й пер перем емы ы ч ке Д Т 15

Проведенные исследования показали, что в переменной составляющей постоянного тягового тока электропоезда «Сапсан» не содержится гармоник, являющихся следствием регулирования частоты тока асинхронных двигателей. Помехи на работу РЦ имеют импульсный характер, но ЭМС тональных РЦ и тяговых токов этого электропоезда обеспечивается с запасом [23]. По специально разработанной методике были проведены исследования для оценки того, как влияет на системы интервального регулирования движения поездов в метрополитене изменение ЭМО, вызванное использованием нового типа электроподвижного состава, позволяющего применять рекуперативно-реостатное торможение [7]. В соответствии с этой методикой при проведении экспериментальных исследований помех измерялся тяговый ток в междроссельной перемычке дроссель-трансформаторов. Ток измерялся бесконтактным датчиком, а его изменения во времени регистрировались комплексом аппаратуры, включающего в себя цифровой регистратор данных типа LMS SC SC4ZMS 4ZMS Mobile, управляемый ноутбуком. Анализ полученного массива данных показал, что электромагнитные помехи от тягового тока имеют импульсный характер. Более половины импульсных помех имели частоту 50 Гц. Изменение режимов работы с рекуперативного торможения на нерекуперативное торможение мало влияло на частотный состав помех. Это позволило сделать вывод, что изменение типа электроподвижного состава и использование следящего рекуперативно-реостатного торможения практически не привело к изменению ЭМО на участке, где проводились исследования [7]. Для анализа и синтеза помехоустойчивых приемных устройств АБ и поездных устройств АРС метрополитена или АЛС магистральных железных дорог необходимо иметь математические модели, описывающие особенности действующих на них импульсных электромагнитных помех от тягового тока. Один из классов таких моделей был разработан с использованием статистического моделирования электромагнитных помех, полученных по результатам проведения измерений в условиях эксплуатации [45]. В соответствии с разработанной методикой экспериментально полученная гистограмма аппроксимируется аналитическим выра16

жением, представляющим собою некоторую теоретическую плотность распределения вероятности, которая должна отвечать двум обязательным условиям: неотрицательности и нормировки. Для нормализации экспериментальных данных из них вычитают оценку математического ожидания и полученные значения делят на оценку среднеквадратического отклонения. Полученный новый массив данных обладает нормализованными свойствами, т.е. нулевым математическим ожиданием и единичным среднеквадратическим отклонением. Нормализованный массив позволяет выбирать аппроксимирующую плотность вероятности из условия сохранения первых четырех моментов статистического распределения для семейства кривых Пирсона следующим образом. По статистическим данным рассчитываются несмещенные оценки центральных моментов, на основании чего выбирается соответствующий тип распределения импульсных помех. В зависимости от значений отдельных параметров рассматривались 12 типов кривых Пирсона. На этой базе разработана обобщенная методика аппроксимации с использованием кривых Пирсона и методика применения критерия χ2 для оценки расхождения теоретического и статистического распределений [46]. Эта методика была применена при разработке статистических моделей амплитуды и длительности импульсных электромагнитных помех в каналах ЖАТ от тягового тока электроподвижного состава метрополитена. Исследования проводились в частотном диапазоне от 50 до 780 Гц на всех частотах, которые используются в качестве несущих в этих каналах. Измерения проводились в течение четырех часов, за которые через контролируемый участок проследовало 105 поездов, из них 24 шли с включенной системой рекуперативно-реостатного торможения. Помехи имели импульсный характер со случайным распределением амплитуды и длительности импульсов. Пример реализации импульсных помех в канале с частотой сигнального тока 275 Гц после указанных ее преобразований приведен на рис. 1.2. По результатам обработки записанных данных о помехах от тягового тока на интервалах времени длительностью 7–10 мин при движении поездов с рекуперативным торможением и без него были оценены плотности распределения амплитуды и длительности 17

Рисс.1.2. Приме Ри Пример р преоб разо разованно ванно й реа лиз лизации ации имп ульс ульсны ны х по поме мехх в к а на нале ле с ча часс т о т ой си сигг н а л ьног ьного о т ок ока а 2 75 Г ц

импульсов электромагнитных помех. Доказано, что во всех двенадцати частотных диапазонах эти плотности могут быть описаны аналитическим выражением β-распределения первого и второго рода [46]. Проведение только напольных измерений не позволяют получить достаточно информации, позволяющей выявить причины повышенной интенсивности сбоев в работе локомотивной аппаратуры АЛС. Для этого надо знать ЭМО на локомотиве, которая различна на локомотивах разных серий и изменяется в зависимости как от режима работы тяговых двигателей, так и от ЭМО на конкретном отрезке рельсовой линии, по которой движется головной локомотив поезда [41]. Анализ результатов измерений требует достаточно жесткой привязки записанных данных к конкретной точке пути, где они были получены. Необходимо при проведении анализа использовать данные ГИД «Урал» для оценки поездной ситуации на участке между тяговыми подстанциями, по которому следовал поезд. Для проведения измерений в локомотивной аппаратуре удобны многоканальные цифровые осциллографы, позволяющие одновременно фиксировать сигналы раздельно на каждой приемной локо18

мотивной катушке АЛС, а также на входе и выходе локомотивного фильтра. Для оценки и анализа ЭМО в местах подключения к рельсам приемной аппаратуры РЦ и в местах установки аппаратуры АЛСН на локомотивах при движении тяжеловесных поездов на горных участках Транссиба с электротягой переменного тока была разработана специальная методика измерений. Наиболее сложной при проведении таких работ была синхронизация результатов измерений, проводимых одновременно в напольных и локомотивных устройствах [41]. Была разработана методика проведения измерений и для выяснения причин повышенной интенсивности сбоев АЛСН на участках с электротягой переменного тока во время и после проведения на них капитального ремонта пути. Выяснено, почему и насколько меняется электромагнитная обстановка в местах установки приемных локомотивных катушек АЛСН при движении поезда по таким участкам [41].

1.3. К лассифик лассифика а ци ция я элек электр тромаг омагн н ит итн н ы помех Электромагнитные помехи делят на три категории: – низкочастотные электромагнитные помехи, преобладающая часть частотного спектра которых лежит ниже 9 кГц; – высокочастотные электромагнитные помехи, вызываемые любым источником, кроме электростатических разрядов; – электростатические разряды. Низкочастотные напряжения помех наводятся в рельсо вых линиях, сигнальных кабелях и кабелях электропитания. Электромагнитные поля промышленной частоты и ее гармониками создаются контактной сетью электрических железных дорог, близлежащими высоковольтными и средневольтными электрическими линиями, трансформаторами и другим оборудованием систем электроснабжения. Распространенными источниками помех являются трансформаторы, образующие сильные, изменяющиеся во времени электромагнитные поля, а также контакторы и электромагнитные реле, работающие в импульсном режиме. Мешающие электромагнитные 19

поля возникают при включении и выключении цепей в системах, собранных на электромагнитных реле, при срабатывании главного выключателя (ГВ) на электроподвижном составе, при прохождении электровозом нейтральных вставок. На участках с электрической тягой переменного тока наиболее мощные помехи на устройства ЖАТ создаются тиристорными преобразователями электропоездов, а на электрических железных дорогах постоянного тока — выпрямителями тяговых подстанций. При этом могут возникать искажения синусоидальности кривой питающего напряжения. Мощные помехи создаются также при возникновении электрической дуги и при коротких замыканиях в контактной сети. Радиочастотные электромагнитные поля могут действовать на отдельной частоте или одновременно на нескольких частотах. При этом наводится напряжение помехи относительно заземления. Из-за селективности этих помех или возможных резонансов они могут оказывать существенное влияние на устройства железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). Электростатические разряды происходят при приближении операторов к техническим средствам ЖАТ. При разряде возникает ток сложной природы, создающий импульсное переходное поле. Уровень помех от электростатических разрядов существенно зависит от проводимости поверхностей и влажности воздуха. Электромагнитные помехи делят на естественные и искусственные. Источники естественных электромагнитных помех — природные физические явления или электрические разряды в атмосфере (атмосферная помеха). Источники искусственных электромагнитных помех — устройства, созданные человеком. Различают кондуктивные, коммутационные и импульсные помехи. Кондуктивные (гальванические) электромагнитные помехи распространяются по проводникам. Коммутационные помехи возникают при процессах коммутации тока или напряжения. Импульсная помеха — это электромагнитная помеха в виде одиночного импульса, последовательности или пачки импульсов [12]. В РЦ и каналах АЛС помехи могут быть непрерывными или импульсными. Непрерывные электромагнитные помехи могут различаться амплитудой тока или напряжения, частотой тока или набором частот. Помехи с одной частотой 50 Гц генерируются 20

линиями электропередач (ЛЭП) или высоковольтными линиями электроснабжения. Помехи от тягового тока электрифицированных железных дорог содержат в своем спектре четные гармоники тока промышленной частоты при электротяге постоянного тока и нечетные гармоники тока этой частоты при электротяге переменного тока. Преобладающая часть частотного спектра данных электромагнитных помех лежит ниже 9 кГц, т.е. эти помехи являются низкочастотными. Импульсные помехи различаются частотой колебаний периодических величин, частотой повторения импульсов; амплитудой, длительностью и временем нарастания импульсов и т.д. Помехи на АЛС создаются также неравномерным по длине пути магнитным полем рельсовых нитей [41]. При магнитных влияниях важны характеристики магнитного поля: амплитуда, крутизна фронта и длительность всплесков напряженности поля, частота появления этих всплесков. Относительно длинные импульсы искусственных помех создаются чаще всего сигнальными токами смежных РЦ при кондуктивных влияниях. Относительно короткие импульсы искусственных помех в приемных локомотивных катушках АЛС возникают при следовании поезда по новым рельсам при наличии в них неравномерной продольной намагниченности. Возникают такие помехи и на участках пути, если новые или смененные рельсы размещены внутри колеи или по концам шпал с нарушением существующих требований. Очень короткие импульсы, длительность которых измеряется микросекундами или наносекундами, возникают при грозовых разрядах и различных коммутационных процессах в электрических сетях и цепях.

1.4. Вл Вли иян яние ие помех на рабо аботту ре рел льс ьсовы овыхх це цепей пей и автом автоматиче атическ ской ой лок локомот омотивной ивной сиг сигна нал л изац изаци ии Техническое средство, реагирующее на электромагнитный сигнал и/или электромагнитную помеху, называется рецептором. При исследованиях ЭМС в рельсовых цепях и АЛС рецепторами являются соответственно приемники РЦ или локомотивные приемники АЛС. 21

Требования по ЭМС технических средств ЖАТ, а также методы их испытаний, установлены стандартом [10]. Они включают проведение испытаний для проверки соответствия технических средств данным требованиям, разработку мер для выполнения этих требований, получение ожидаемых от внедрения результатов Сбои в работе РЦ из-за действия помех чаще одиночные и приводят к появлению кратковременной ложной занятости контролируемого участка пути. Такие сбои в работе РЦ на перегонах относительно редко приводят к сбоям в ритме движения поездов и вызывают только увеличение психофизиологической нагрузки на локомотивные бригады. Системы АБ работают в автоматическом режиме, поэтому после возобновления нормальной работы РЦ восстанавливаются показания напольных светофоров и коды сигналов АЛС. На станциях, оборудованных системами ЭЦ стрелок и сигналов, светофоры работают в полуавтоматическом режиме. Они открываются на разрешающее показание по командам дежурного по станции (ДСП) или поездного диспетчера (ДНЦ). Светофоры переключаются на запрещающее показание автоматически при занятии любой секции в маршруте или при ложном отпадании якоря путевого реле любой РЦ в маршруте. В последнем случае вносятся помехи в ритм поездной работы станции. Станционные фазочувствительные РЦ частотой 25 Гц с реле ДСШ работают недостаточно устойчиво на станциях при электротяге переменного тока. Причина этого — недостаточная эффективность защиты путевой обмотки реле ДСШ от помех блоками типа ЗБ-ДСШ. Это подтверждают, например, результаты анализа гармонического состава тока, протекающего через путевую обмотку реле ДСШ-16 ДСШ16 при пропуске тяжеловесного поезда (рис. 1.3). Видно, что в токе через обмотку реле кроме сигнального тока частотой 25 Гц были и четные, и нечетные гармоники как тягового тока частотой 50 Гц, так и сигнального тока частотой 25 Гц. Действующие значения токов нечетных гармоник частоты 25 Гц в анализируемом диапазоне были сравнимы с нечетными гармониками тягового тока. Величина тока нечетных гармоник превалировала и на частотах, находящихся за верхним пределом диапазона диаграммы. Например, на частоте 1050 Гц ток через путевую обмотку в разных измерениях варьировал в пределах 1–5 мА. 22

Р ис. 1.3. Гар армон мони и че ческ ски и й со сосс та тав в т ок ока а в п у т ев евой ой о бмо бмотт ке р е ле ДСШ ДСШ--16

Наличие помехи постоянного тока можно объяснить селективным выпрямлением, характерным для элементов с нелинейной, симметричной относительно начала ординат характеристикой. В фазо чувствительных РЦ при электротяге переменного тока используются различные элементы с нелинейными характеристиками: дроссель-трансформаторы типов ДТДТ-1-150 1-150 и ДТДТ-1-300; 1-300; защитные блок-фильтры типа ЗБ-ДСШ, путевые изолирующие трансформаторы типа ПРТ-А. Подмагничивание сердечников таких элементов постоянным током вызывает появление четных гармоник как тягового, так и сигнального токов. На перегонах или на участках приближения к станции может возникнуть одна из двух ситуаций при ложном перекрытии светофора на запрещающее показание перед движущимся поездом. Если поезд при таком перекрытии находится на расстоянии, равном или большем длины его тормозного пути при служебном 23

торможении, то при своевременном включении тормозов ложная остановка поезда вызывает только потери поездо-часов (перекрытие без проезда). Если же это расстояние меньше длины тормозного пути поезда, то даже при экстренном торможении поезд может проследовать за светофор с запрещающим показанием (перекрытие с проездом). Это приводит не только к сбоям в движении поездов, но и нарушает условия безопасности их движения, т.к. при экстренном торможении из поезда могут выдавливаться легкие вагоны и/или появляться «ползуны» на колесах. Подобные ситуации возникают и на станциях при безостановочном сквозном движении поезда. На железных дорогах России в среднем каждый час происходит более трех десятков сбоев АЛС. Процесс появления сбоев АЛС стохастический из-за случайного появления различных возмущающих воздействий или их сочетаний при движении поезда [41]. Декодирование электрических сигналов кодов АЛС ведется подсчетом числа импульсов в поступившей кодовой комбинации с последующим сравнением в длинном интервале соответствия между принятым электрическим сигналом (по числу импульсов) и показаниями локомотивного светофора. Нарушения этой ритмичности возникают при несоответствии числа импульсов требуемому числу в данной кодовой комбинации или при отсутствии большого интервала. При приеме нормальных кодовых комбинаций и отсутствии помех нарушение ритмичности возникает при переходе с одной РЦ на другую, если катушки воспринимают неполные кодовые комбинации. Численные искажения сигналов происходят и при двойной смене кода, когда после проследования путевого светофора под приемными локомотивными катушками код желтого огня Ж через 6–7 с меняется на код зеленого огня З из-за смены показаний стоящего впереди светофора на зеленый огонь. Искаженные кодовые комбинации, содержащие меньшее или большее число импульсов или не имеющие в течение 5–6 с большого интервала, оцениваются дешифратором как ошибочные и не фиксируются. При нормальной смене сигналов на локомотиве и при нормальном переходе на другую РЦ устройства фиксируют новый элек24

трический сигнал только по истечении защитного времени, когда новые сигналы поступают и воспроизводятся на входе дешифратора в виде полных кодовых комбинаций. В результате сбоев в работе АЛС не происходит. Более четверти фиксируемых сбоев — это одиночные сбои в работе АЛС. Они возникают при кратковременных помехах, кратковременных самовосстанавливающихся отказах аппаратуры РЦ и АЛС, следовании по некодируемому участку, двойной смене кода. Система АЛСН обладает определенной инерционностью, поэтому единичная помеха не может привести к сбоям в показаниях локомотивного светофора. Сбой вызывается в процессе приема трех подряд искаженных кодовых посылок. Сбои в работе АЛС проявляются ложным переключением на показание локомотивного светофора, отличающееся от показаний напольного светофора. Могут происходить также чередующиеся загорания всех или части ламп локомотивного светофора. Все эти сбои приводят к загоранию ламп, требующих снижения скорости движения или остановки поезда. Опасная трансформация кода АЛС от действия помех происходит редко, когда на локомотивном светофоре появляются показания, разрешающие движение поезда со скоростью больше, чем допускается по условиям безопасности движения [41]. В условиях плохой видимости напольных светофоров это может приводить к транспортным происшествиям. Анализ статистики сбоев на участке Иркутск—Петровский Завод Транссибирской магистрали показал, что в среднем 75 % сбоев в работе АЛС вызывает появление на локомотивном светофоре ложного горения лампы белого огня. В 15 % сбоев ложно загорается лампа красно-желтого огня, по 5 % приходится на ложное горение лампы красного огня и на попеременное горение всех или части ламп локомотивного светофора. Белый огонь на локомотивном светофоре должен загораться при отсутствии под приемными локомотивными катушками сигнальных токов АЛС. Ложно лампы белого огня загораются, когда помехи полностью заполняют интервалы кодовых посылок или когда в нескольких кодовых посылках подряд отсутствуют длинные интервалы из-за их заполнения помехами. 25

Ложное загорание лампы красно-желтого огня происходит при заполнении помехами коротких импульсов в кодовых комбинациях З или Ж. Ложное загорание лампы красного огня на локомотивном светофоре наиболее вероятно, когда принимается код КЖ. Происходит оно чаще в маршрутах приема на станцию. Относительно редко происходит ложное загорание лампы желтого огня. Оно обычно возникает при восприятии локомотивной аппаратурой АЛС двух первых коротких импульсов кода З как одного импульса. Интенсивность сбоев АЛС на перегонах, оборудованных системой автоблокировки с бесстыковыми тональными РЦ, была на этом участке в три раза больше, чем на перегонах с кодовой автоблокировкой, а на станциях была в пять раз больше, чем на перегонах. Причины появления многократных сбоев: – действие магнитного поля неправильно уложенных новых или смененных рельсов в колее или на концах шпал; – наличие неравномерной продольной намагниченности рельсов; – действие повышенной асимметрии тягового тока в рельсах; – следование поезда по коротким РЦ; – случайное перераспределение тяговых токов в рельсах под приемными локомотивными катушками АЛС и в местах подключения к рельсам аппаратуры РЦ; – случайное перераспределение тяговых токов по токоведущим частям электровозов в месте подключения к ним приемных локомотивных катушек АЛС и т.д. Под асимметрией тягового тока в рельсовой линии понимают разность тяговых токов в ее рельсовых нитях в определенной точке рельсовой линии. При многократных сбоях в работе АЛС машинист может продолжать управлять движением поезда, не выключая эту систему. В таком случае появляется дополнительный раздражитель, действующий на локомотивную бригаду, что увеличивает вероятность ее ошибочных действий. Потери поездо-часов возникают, когда машинист снижает скорость движения поезда при действии этого раздражителя или когда срабатывает автостоп при ложном появлении на локомотивном светофоре красного огня. 26

По действующим инструкциям машинист имеет право выключить систему АЛС при многократных сбоях в ее работе. Отключение системы АЛС отрицательно влияет на безопасность движения поездов, т.к. это увеличивает вероятность транспортных происшествий из-за ошибочных действий машиниста, не контролируемых данной системой. Количественный анализ сбоев АЛС на конкретном участке железной дороги за интересующий отрезок времени удобно выполнять, по аналогии с интенсивностью отказов в теории надежности, используя понятие «интенсивность сбоев», вычисляемую по формуле: λсб()∆ t =

nt()∆ , Nl ∆t

(1.1)

где ∆t — продолжительность времени наблюдения; n(∆t) — зафиксированное количество сбоев за время ∆t; N — размеры движения поездов на участке, поездов в сутки; l — длина участка, км. В реальности время наблюдения может составлять сутки, месяц или год. Если, например, время наблюдения составляет сутки, то интенсивность сбоев в соответствии с формулой (1.1) будет означать «количество сбоев за сутки, приходящееся на один поездо-км». При количественном анализе сбоев АЛС, происходящих в локомотивах конкретной серии, в качестве единицы измерения используется также количество сбоев, приходящееся на 1000 км пробега локомотива или на 100 миллионов тонно-км [41].

1.5. Исто сточник чник и опа опасн сного ого и ме мешающ шающего его вли влияний яний на аппара аппарату туру ру Устойчивость работы РЦ и АЛС определяется, в основном, электромагнитными, магнитными и кондуктивными (гальваническими) влияниями, которые характерны для рельсовой сети, особенно тяговой. Грозы оказывают электромагнитные влияния. Магнитные влияния обусловленные взаимными индуктивностями рельсовых нитей с другими рельсовыми нитями рельсовых линий, а также с кон27

тактными проводами тяговой сети и с высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП). Кондуктивные (гальванические) влияния отличаются тем, что помеха распространяется от источника кондуктивным путем по проводящей среде. В РЦ — это распространение помех по рельсовым линиям с учетом их продольных и поперечных сопротивлений, а также по цепям заземления. Возникающие в результате действия опасных и мешающих влияний перенапряжения в двухпроводных и однопроводных цепях ЖАТ делят на два вида: продольные «провод–земля» и поперечные «провод–провод». Рельсовые линии при протекании по ним сигнальных токов РЦ и АЛС в теории рельсовых цепей рассматриваются как двухпроводные электрические цепи. Для тяговых токов и для токов, являющихся следствием действия грозовых разрядов, рельсовые линии представляют собою две однопроводных электрических линии «рельсы–земля». Влияния на аппаратуру ЖАТ делят на опасные и мешающие. Опасные влияния способны переводить аппаратуру в опасное для условий движения поездов сос состояние, тояние, приводить к серьезны серьезным м повреждениям аппаратуры или могут быть опасными для жизни и здоровья эксплуатационного штата. Мешающие влияния вызывают сбои в работе аппаратуры с отрицательным влиянием на безопасность и бесперебойность движения поездов. Внешними источниками электрической энергии, оказывающими опасные и мешающие влияния на рассматриваемую аппаратуру, являются грозовые разряды, линии электропередач и электроснабжения, контактная и рельсовая тяговые сети электрифицированных железных дорог. Неравномерность продольного магнитного поля рельсов может создавать при движении поезда помехи, вызывающие часто повторяющиеся сбои в работе аппаратуры АЛС. Источниками внутренних воздействий в системах и устройствах ЖАТ могут быть внутренние источники энергии, связанные с рабочими процессами, протекающими в объекте, а также потенциальная энергия, накопленная в материале их элементов в процессе изготовления, выполнения строительно-монтажных работ и эксплуатации. Внутренними источниками помех могут быть, например, кратковременные отказы аппаратуры, срабатывания элементов защиты, 28

взаимные влияния смежных РЦ, взаимные мешающие влияния в цепях электронной или микропроцессорной аппаратуры. Опасность для аппаратуры могут представлять короткие замыкания в ее схемах. Опасными для безопасности движения поездов могут быть изменения параметров обратных связей в активных фильтрах и в электронных усилителях путевых приемников РЦ. Например, изменение параметров полупроводниковых приборов, включенных в обратную связь усилителя, при увеличении температуры окружающей среды может перевести усилитель из устойчивого режима усиления сигнала в режим генерации. В результате на обмотку путевого приемника занятой подвижным составом РЦ может поступать сигнал, достаточный для его возбуждения, т.е. появляется ложная свободность соответствующего участка рельсовой линии. Перенапряжения, оказывающие воздействия на РЦ и АЛС, вызываются разрядами молнии; коммутационными процессами, возникающими при работе электросетей и электротяги, а также отказами технических средств. Наибольшие повреждения в устройствах ЖАТ вызываются разрядами молний. Эти разряды обладают большими токами, большой энергией и мощными сопровождающими их электромагнитными полями. Импульсное перенапряжение отличается резким подъемом напряжения, вызванного электромагнитным импульсом удара молнии или коммутационного процесса. Проявляется оно в виде повышения электрического напряжения или тока до значений, представляющих опасность для технических средств [14]. Ток молнии, протекая через пораженный объект, оказывает на него тепловые, механические и электромагнитные воздействия. Наиболее часто наблюдаются токи молнии величиной до 50 кА. Разрядами молнии вызываются наибольшие повреждения в устройствах и аппаратуре ЖАТ. Вид импульса тока I, который рассматривается при анализе влия ния разрядов молнии, показан на рис. 1.4 [14]. Крутизна фронта таких импульсов оценивается временем фронта, за которое принимают время между точками, соответствующими величинам 10 и 90 % амплитуды на кривой нарастания импульса. Длительность импульса оценивают временем полупериода t 2, кото рое определяется как отрезок времени между виртуальным началом 29

Р ис. 1.4. Ви Вид д и м п у л ьс ьса а о т ра разз ря ряд д а мол молн нии

импульса и точкой на уровне 50 % амплитуды импульса на кривой затухания. Виртуальное начало — точка, в которой прямая линия, проходящая через точки 10 и 90 % на кривой нарастания импульса, пересекает линию времени на оси координат (см. рис. 1.3). При анализе защищенности технических средств от разрядов молнии рассматривают номинальный разрядный ток, под которым понимается пиковое значение тока, протекающего через устройство защиты от перенапряжений (УЗИП), с формой волны 8/20, т.е. импульс со временем фронта 8 мкс и длительностью 20 мкс. Фактически такой импульс имеет время фронта в диапазоне от 7 до 9 мкс и длительность в диапазоне от 18 до 22 мкс. При расчетах грозозащиты принимают среднюю длительность импульса 20 мкс [15]. Импульс напряжения 1,2/50, рассматриваемый при решении задач ЭМС, — это импульс напряжения с фактическими значениями времени фронта 1,2 мкс и длительностью 50 мкс. В соответствии с классификацией уровней защиты от молнии LPL при проведении расчетов рекомендуется руководствоваться следующими максимальными значениями параметров молнии [15]: – для первого положительного импульса максимальный ток 100 кА, заряд импульса 100 Кл, удельная энергия 10 МДж/Ом, параметры времени 10/350 мкс/мкс; – для первого отрицательного импульса максимальный ток 200 кА. Максимальный ток последующих импульсов уменьшается. 30

Основным способом защиты аппаратуры РЦ и АЛС является ограничение переходных перенапряжений и отвод импульсных токов в систему заземления при помощи УЗИП [15]. Рельсы имеют очень низкую изоляцию и большую емкость по отношению к земле, а продольное их сопротивление имеет индуктивный характер. Поэтому, например, электромагнитная волна с амплитудой 200 кВ, возникающая при прямом ударе молнии в рельсы, почти полностью затухает на расстоянии 200 м от места удара. К полному разрушению аппаратуры приводят прямые разряды молнии в нее или в рельсы рядом с местом ее подключения. Контактная сеть экранирует устройства ЖАТ от прямых ударов молнии. В соответствии с требованиями электробезопасности металлические части опор контактной сети соединяются через искровые промежутки с одним из рельсов рельсовой линии. В результате прямого удара молнии в контактную сеть нарушается изоляция, контактный провод сообщается с рельсом, и в тяговой сети возникает короткое замыкание на время срабатывания защиты на тяговой подстанции. При этом ток в рельсовой линии зависит от мощности тягового трансформатора, типа контактной подвески, удаленности места короткого замыкания от подстанции и переходного сопротивления «рельс–земля». На расстоянии 10 км и при сопротивлении «рельс–земля», равном 1,0 Ом · км, этот ток может достигать 5,6 кА. На аппаратуру РЦ и АЛС влияют не только прямые, но и косвенные воздействия грозовых разрядов, т.е. разрядов, происходящих вблизи рельсовых линий. В этом случае в рельсовых линиях возникают так называемые индуцированные перенапряжения, которые в рельсах железнодорожной колеи могут достигать величины порядка 5000 В. Высоковольтные линии электропередачи наводят помехи в рельсовых линиях, если они пересекают железнодорожную колею под углом, отличающимся от 90˚. Коммутационные перенапряжения являются следствием пере пере-распределения энергии между элементами электрических цепей при их включениях и выключениях. Наиболее мощные коммутационные перенапряжения вызываются срабатываниями коммутационных аппаратов в распределительных устройствах энергосистем. Длительность фронта импульса коммутационных перенапряжений составляет 30–100 мкс при длительности импульса до 200 мкс. 31

Для линий электропередач с изолированной нейтралью напряжением 6–53 кВ, применяемых для электроснабжения систем АБ и ЭЦ, характерны следующие особенности [27]: – коммутационные перенапряжения при переключениях линий электропередач могут в 5–6 раз превосходить номинальные значения напряжения; – максимальные значения коммутационных перенапряжений возникают при коммутациях в линии с одновременным однофазным замыканием на землю, которое сопровождается перемежающейся дугой, или при коммутации линий, емкость которых меньше емкости питающей системы; – минимальные значения длины волн перенапряжений находятся в интервале 0–150 мкс, а максимальные — в интервале 2500–5000 мкс; – максимальное значение крутизны волн перенапряжения для ЛЭП с напряжением 35 кВ равно 150 В/мкс, а для ЛЭП с напряжением 6–10 кВ находится в пределах 20–30 В/мкс. Контактная сеть электрифицированных железных дорог пред пред-ставляет собой разновидность ЛЭП, у которых прямым проводом служит контактный провод и несущий трос, а обратным — рельсовая сеть и земля. Такая несимметричная электрическая система в нормальных и особенно в аварийных режимах (асимметрия тягового тока в рельсовых нитях рельсовой линии, отключения при коротких замыканиях, пробои разрядников на рельсы) создают электрическое, магнитное и гальваническое (кондуктивное) влияние на РЦ, на воздушные и кабельные линии ЖАТ. Короткие замыкания в контактной сети происходят при воздействии на нее грозовых разрядов или других источников перенапряжений, вызывающих срабатывание грозовых разрядников, а также при неисправностях электроподвижного состава или по другим причинам. При коротком замыкании контактной сети с током 2000 А амплитуда коммутационных перенапряжений в проводах воздушных линий достигает 400 В и состоит из двух импульсов разной полярности при длительности импульсов от 50 до 100 мс. При пробое роговых и трубчатых разрядников, установленных на опорах контактной сети, токи коротких замыканий сети проходят от кон32

тактного провода через заземлитель на рельс и далее через одну из секций основной обмотки ближайшего ДТ. Затем ток разветвляется по секциям основной обмотки ДТ смежной РЦ и далее возвращается по рельсам на тяговую подстанцию. При прохождении тока по одной секции основной обмотки ДТ в его дополнительной обмотке, при разомкнутом контакте трансмиттерного реле, создается затухающий колебательный процесс с исходным напряжением от 4000 до 5000 В и частотой до 200 Гц. Изоляция между обмотками и сердечниками, например, у релейных трансформаторов типов РТЭРТЭ-1А, 1А, РТЭРТЭ-3 3 и у путевых малогабаритных трансформаторов типов ПТМ-А, ПТМ-М должна выдерживать в течение 1 мин без перекрытия испытательное напряжение 1500 В переменного ток частотой 50 Гц [32]. У ДТ изоляция обмоток относительно корпуса и между собой должна выдерживать в течение 1 мин без перекрытия испытательное напряжение 2500 В переменного ток частотой 50 Гц [31]. Длительность воздействия коммутационных перенапряжений находится в диапазоне от 0,5 до 300 мс, а энергия перенапряжений для отдельных цепей на электрифицированных участках железных дорог может превышать 5000 Дж. Наибольшее влияние оказывают токи при коротких замыканиях контактной сети. На питающих и релейных концах РЦ при коротком замыкании контактной сети постоянного тока появляются импульсы напряжения, превышающие 1150–1250 В. При коротком замыкании контактной сети переменного тока эти напряжения могут превышать 2000–4000 В [16]. Таким образом, уровни возникающих перенапряжений могут превышать допустимые значения электрической прочности для аппаратуры РЦ. Колебания напряжений с такими амплитудами вызывают пробои конденсаторных блоков, перекрытия изоляции между контактными пружинами трансмиттерных реле или пробои изоляции между выводами дополнительных обмоток ДТ. Рельсовая тяговая сеть может генерировать помехи на РЦ и АЛС с большими уровнями и с относительно высокой частотой. Асимметрия сопротивлений рельсовых нитей в рельсовой линии может также служить, например, причиной появления перенапря33

жений на питающих и релейных концах РЦ. Напряжение во вторичной цепи ДТ может достигать 3000 В при относительной разности сопротивлений рельсовых нитей в рельсовой линии, равной 10 %, и постоянном токе короткого замыкания 3600 А. Уровни помех, генерируемых гармониками тягового тока под приемными катушками АЛС или в точках подключения к рельсам аппаратуры РЦ, пропорциональны величине разности токов соответствующих гармоник в рельсовых нитях в этих местах, т.е. пропорциональны величине асимметрии тягового тока. Даже при нормальной работе электротяги переменного тока при токе асимметрии, равном 12 А, перенапряжения на питающих концах РЦ автоблокировки могут достигать 600 В [16]. При таких перенапряжениях еще до срабатывания автоматического выключателя типа АВМ перегреваются и выходят из строя путевые трансформаторы, резисторы, ДТ, входные трансформаторы фильтров типа ФПФП-25 25 и др. Поэтому на электрифицированных участках железных дорог ограничивают перенапряжения, вызываемые токами короткого замыкания контактной сети или асимметрией сопротивления рельсовых нитей в рельсовых линиях. Для снижения уровней помех от гармоник тягового тока на тяговых подстанциях и на электровозах устанавливают специальные фильтры. Интенсивность сбоев в работе АЛС и РЦ из-за действия помех на таких участках в 30–50 раз больше, чем на участках, где используется автономная тяга. На участках с электротягой переменного тока рассматриваемых сбоев в 1,5–1,7 раз больше, по сравнению с участками, электрифицированными на постоянном токе. Проведенные исследования в условиях эксплуатации на железных дорогах Транссиба, электрифицированных на переменном токе, показали следующее [41]. В системах кодовой автоблокировки и АЛС используется числовой код, форма сигналов которого, принимаемых локомотивными катушками АЛС при малом уровне помех, показана на рис. 1.5. Сглаживание фронта и среза импульсов обусловлено индуктивностью рельсовых нитей и переходными процессами в реактивных элементах локомотивного фильтра [41]. Действие помех на сигналы АЛС могут приводить к появлению лишних одного или нескольких импульсов, дроблению (расщепле34

нию) импульсов, к частичному или полному подавлению (усечению) одного или нескольких импульсов. Фрагмент записи цифровым многоканальным осциллографом специалистами Отраслевого центра внедрения ОАО «РЖД» сигналов на выходе локомотивного фильтра типа ФЛФЛ-25/75М 25/75М при действии помех приведен на рис. 1.6. За время записи этого фрагмента были искажены две подряд кодовые комбинации, причем виды искажений оказались разные.

Р ис. 1.5. Фо Форма рма с и г на нала ла А ЛС на локомо локомотт и в н ы х к ат атуу ш к а х

Р ис. 1.6. Иск Иска а же жен н ие помех помеха а м и си сигг н а лов А ЛС 35

Асимметрия тягового тока, появляющаяся при асимметрии (не одинаковости) продольных и/или поперечных сопротивлений рельсовых нитей рельсовой линии, один из основных источников помех, влияющих на устойчивость работы как АЛС, так и РЦ. На рис. 1.7. показаны осциллограммы напряжения на путевом приемнике тональной РЦ, записанные при разных значениях асимметрии переменного тягового тока [41]. Увеличение асимметрии переменного тягового тока в рельсовой линии в 7,15 раз приводит не только к росту уровня помех, но и вызывает усиление искажения формы импульсов (рис. 1.7 б). Импульсные помехи, появляющиеся в рельсовых линиях, могут попадать в интервалы кодовых комбинаций (см. рис. 1.6). Если два импульса или все импульсы кода заполняются импульсами помех, то они сливаются в один. Это приводит к переключению напольного или локомотивного светофора на более запрещающее показание. Тяговые подстанции снабжаются сглаживающими фильтрами. Однако при определенных условиях в тяговой сети могут возникать резонансные явления, которые приводят к усилению определенных гармонических составляющих тягового тока. Современные электровозы могут стать дополнительным источ источ-ником помех на АЛС и РЦ как импульсных, так и гармонических в широком частотном диапазоне. Тяговые токи электровоза, протекая по его металлическим частям вблизи приемных локомотивных катушек АЛС, наводят в них помехи. Рост мощности электровозов привел к тому, что уровень их влияния становится в некоторых случаях сравним с влиянием тяговых подстанций. Например, шесть тяговых асинхронных двигателя у электровозов двойного питания ЭП ЭП10 10 имеют суммарную часовую мощность 7200 кВт. Проведенный анализ статистических данных по сбоям в работе электровозов переменного тока различных серий подтвердил высокую степень влияния токов электровоза на устойчивость работы бортовой аппаратуры АЛС [41]. При расчете на 1000 км пробега электровоза наибольшее удельное количество сбоев приходилось на С электровозы серий ВЛ ВЛ80 80 и ЭП ЭП1. 1. Если в качестве показателя взять среднее количество сбоев на 100 млн. т · км, то электровозы серии ЭП1 ЭП 1 по степени влияния на устойчивость работы АЛС также были наихудшим. 36

а

б Р ис. ис.1 1.7. На Нап п ря ряжен жение ие н а п у т ев евом ом п рием риемн н и ке т он она а л ьной РЦ п ри ас аси и м ме метт ри рии и т я г ов овог ого о то токк а: а – 2 ,8 А ; б – 20,0 А 37

Влияние электроподвижного состава на работу РЦ рассматривается во второй части стандарта CENELEC [50]. В нем указаны ограничения на токи электроподвижного состава, влияющие на приемники РЦ с амплитудным и частотным детектированием. Учитываются несущие частоты, время срабатывания приемника и допустимый мешающий ток (на несущей частоте) на входе приемника. В приведенных нормах рассматриваются наиболее неблагоприятные условия работы РЦ — асимметрия сопротивлений рельсовой линии и обрыв рельсовой нити. Уровень тока электроподвижного состава, влияющего на РЦ, определяется по максимальному установившемуся сигналу. Допускаются одиночные неповторяющиеся превышения норм тока электроподвижного состава, если они вызваны переходными процессами (броски тока, срабатывание автоматов защиты) и не влияют на работу РЦ. Отмечается, что при испытаниях должен записываться общий ток электропоезда с учетом возможного одновременного влияния нескольких единиц электроподвижного состава на рассматриваемую РЦ. Гармоники от системы электроснабжения отдельно не рассматриваются, но учитываются при обработке данных.

1.6. Тех ни ническ ческие ие условия работ работы ы рел рельсовы ьсовыхх цепей и автом автома ат иче ическ ской ой лок локомот омотивной ивной си сигна гнал л изац изации ии Уровень помех, оказывающих влияние на работу РЦ и АЛС на электрифицированных участках железных дорог, зависит от гармонического состава тяговых токов в рельсовой тяговой сети. На участках железных дорог, электрифицированных на переменном токе, в тяговом токе обычно присутствуют нечетные гармоники тягового тока, т.е. гармоники частоты 50 Гц. На участках с электротягой постоянного тока в тяговом токе появляются четные гармоники промышленной частоты от пульсаций выпрямленного тока и при нарушениях нормальной работы выпрямительных установок на тяговой подстанции. Если на электровозах в качестве тяговых используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором при частотном регулировании их скорости вращения, то в тяговом токе может присутствовать весь спектр рабочих частот РЦ и АЛС [4]. 38

Главная цель анализа особенностей процесса растекания гармоник тягового тока в рельсовой тяговой сети — выявление закономерностей изменения асимметрии тягового тока по длине конкретной рельсовой линии. При решении задач ЭМС в рельсовых линиях различают продольное и поперечное удельные электрические сопротивления рельсовых нитей. Продольное удельное сопротивление — это удельное сопротивление самой рельсовой нити. Поперечное сопротивление — это удельное сопротивление изоляции рельсов по отношению к земле. Элементами рельсовых нитей, сопротивления которых определяют их продольное сопротивление, являются сплошные рельсы, токопроводящие стыки, дроссельные перемычки и секции основных обмоток ДТ. Продольные сопротивления рельсовых нитей как однопроводных электрических линий для тягового тока включают также сопротивления взаимной индуктивности. При расчетах в задачах ЭМС под сопротивлением рельсовой нити понимается суммарное сопротивление всех этих составляющих. В РЦ, разделенных изолирующими стыками, при анализе характера распределения тягового тока по рельсовым нитям необходимо также учитывать влияние величины сопротивления этих стыков на данный процесс. Величина поперечного сопротивления рельсовых нитей зависит от величин сопротивления верхнего строения пути и земли; от величин входных сопротивлений цепей заземления опор контактной сети и других конструкций, соединяемых с рельсами; от величин сопротивлений изолирующих элементов железобетонных шпал. На рис. 1.8 показана эквивалентная схема замещения рельсовой линии. Первая и вторая рельсовые нити представлены как последовательное соединение сопротивлений отрезков рельсовых нитей соответственно ZP11,..., ZP1n и ZP21,..., ZP2n. Первая цифра здесь обозначает номер рельсовой нити, а вторая — номер рассматриваемого ее отрезка. Сопротивления переходов «рельсы–земля» у этих отрезков рельсов показаны в виде сопротивлений Pr311,..., r P31n и rP321,..., r P32n. Если заземление опор контактной сети ОК обеспечивается подключением их к рельсам, то создаются еще дополнительные цепи 39

утечки тяговых токов из рельсов одной рельсовой нити в землю. Сопротивления этих цепей показаны на рис. 1.8 в виде сопротивлений r O1,..., r On. На входном для тягового тока конце РЦ, ограниченной изолирующими стыками, этот ток распределяется по рельсовым нитям обратно пропорционально величинам входных сопротивлений рельсовых нитей РН РН1 1 и РН РН2. 2. Величины этих входных сопротивлений определяются величинами продольного и поперечного сопротивлений соответствующей рельсовой нити. Границами рельсовых нитей служат средние точки основных обмоток ДТ, ограничивающих РЦ (рис. 1.9). Аппаратура, передающая и принимающая сигнальные токи РЦ, обозначена соответственно ПГ и ПП. Тяговый ток электровоза растекается по рельсовым нитям рельсовой линии в обе стороны от него. Для исследования влияния помех на работу АЛС наибольший интерес представляют тяговые ′ 1 и I TH ′ 2 , утекающие соответственно в первую РН токи I TH РН1 1 и вторую РН2 РН 2 рельсовые нити вперед по ходу поезда от места нахождения его головного электровоза. Величины этих токов обратно пропорциональны входным сопротивлениям Z BX1 и ZBX BX1 BX2 2 рельсовых нитей. Эти токи текут непосредственно под приемными локомотивными катушками АЛС, поэтому именно они определяют степень мешающего влияния тяговых токов в рельсах на работу АЛС. Приемные локомотивные катушки АЛС включаются встречно. Поэтому ЭДС, наводимые тяговыми токами в этих катушках, направлены тоже встречно, компенсируя друг друга. Встречно для тягового тока включены и секции основных обмоток ДТ. Поэтому при равенстве тяговых токов в этих секциях наводимые ими ЭДС в дополнительной обмотке ДТ тоже направлены встречно и тоже компенсируют друг друга. Следовательно, при равенстве тяговых токов в рельсовых нитях под катушками АЛС или в секциях основных обмоток ДТ помехи в приемных локомотивных катушках и дополнительной обмотке ДТ не наводятся. Но тяговые токи в рельсовых нитях по всей их длине будут одинаковы только при неизменности их продольных и поперечных сопротивлений по этой длине. ′ 1 и I TH ′ 2 под приемными локоСоотношение величин токов I TH мотивными катушками АЛС определяется соотношением величин 40

41

Р ис. 1.9. Рас Растт ек ека а н ие тя тяго говог вого о т ок ока а э лек лектт ров рово о за по р е л ь сов совой ой л и н и и

Р ис. 1.8. Элем Элемен ентт ы эл элек ектт ри риче ческог ского о со соп п ро ротт и в ле лен н и я р ел ель ь с овы овыхх н и т ей д л я т я гов говог ого о ток тока а

входных сопротивлений ZBX BX1 1 и ZBX BX2 2 отрезков соответственно первой и второй рельсовых нитей от первой колесной пары локомотива до конца рельсовой линии, ограниченной изолирующими стыками с ДТ. По мере движения поезда длина отрезков рельсовых нитей между передней колесной парой электровоза и выходным концом РЦ уменьшается, что приводит к уменьшению величин сопротивлений ZBX BX1 1 и ZBX BX2 2. При движении поезда по рельсовым линиям с неоднородными сопротивлениями, у которых продольные и поперечные сопротивления рельсовых нитей не остаются постоянными по их длине, входные сопротивления BX Z 1 и ZBX BX1 BX2 2 изменяются дополнительно, что вызывает изменения уровня помех от тяговых токов на АЛС. Утекающие вперед от поезда по рельсовой линии тяговые токи могут создавать помехи как на аппаратуру, генерирующую кодовые сигналы для АЛС (аппаратура ПГ ПГ2 2 на передающем конце РЦ на рис. 1.9), так и на аппаратуру РЦ, расположенных впереди, при отсутствии на них подвижных единиц (аппаратура ПП ПП1 1 на рис. 1.9). Соотношение величин тяговых токовI T′ 1 и I T′ 2 в рельсовых нитях на входном для тягового тока конце смежной РЦ определяется соотношением входных сопротивлений рельсовых нитей для этих токов, если измерять сопротивления от средней точки ДТ, установленного на этом конце (см. рис. 1.9). Наиболее сильно мешающее действие помех сказывается на аппаратуру ПП ПП1 1 приемного конца РЦ, расположенной перед движущимся поездом и непосредственно примыкающей к занятой РЦ. Действие помех в этих РЦ может приводить к появлению их ложной занятости и, как следствие, к ложному перекрытию светофоров на запрещающее показание перед движущимся поездом. Кроме абсолютного значения величины асимметрии тягового тока, т.е. разности тяговых токов в рельсовых нитях в соответствующей точке рельсовой линии, при решении задач ЭМС используют также относительную величину — коэффициент асимметрии тягового тока:

kA I =

IITH 12− IITH12+

TH

,

(1.2)

TH

где I TH1; I TH2 — тяговые токи в первой и второй рельсовых нитях в соответствующей точке рельсовой линии. 42

Численное значение данного коэффициента в РЦ при талом грунте изменяется по длине рельсовой линии. Поэтому оно различно в начале и в конце РЦ. Под катушками АЛС величина коэффициента kA I изменяется по мере движения головного электровоза по РЦ. При решении некоторых задач коэффициент асимметрии тягового тока измеряют в процентах. Максимально допускаемое значение асимметрии тягового тока частотой 50 Гц в основной обмотке дроссель-трансформатора типа ДТ1-150 ДТ 1-150 по условиям его нормальной работы принято равным 15 А [21]. Следовательно, максимально допускаемое значение коэффициента асимметрии первой гармоники тягового тока равно 0,05 или 5 %. Эти численные значения асимметрии и коэффициента асимметрии тягового тока приняты в настоящее время в качестве максимально допустимых для РЦ, и для АЛС на участках с электротягой переменного тока. Величина ЭДС, наводимая в приемных катушках АЛС тяговыми токами в рельсах, пропорциональна частоте его соответствующей гармоники. Поэтому с ростом частоты гармоники допускаемое значение асимметрии ее тока под катушками АЛС должно уменьшаться. В табл. 1.1 приведены численные значения максимально допускаемых величин коэффициента асимметрии для гармоник тягового тока. Причинами появления продольной асимметрии сопротивлений рельсовых нитей в рельсовой линии могут быть несимметричное увеличение в рельсовых нитях сопротивлений токопроводящих стыков и/или дроссельных перемычек. Величина сопротивлений тяговых рельсовых соединителей и дроссельных перемычек определяется их конструкцией, используемыми при их изготовлении материалами и изменяется во времени по мере старения этих элементов. Табл Та бли ица 1.1 Предельно допускаемы е зна значени чени я коэффи циен тов асимме три трии и гармони к тяговог о тока Частота, Гц

Максимально Частота, допускаемый Гц коэффициент асимметрии тягового тока

Максимально допускаемый коэффициент асимметрии тягового тока

50

0,0500

450

0,0055

100

0,0250

500

0,0050 43

Окончание табл. 1.1 Частота, Гц

Максимально Частота, допускаемый Гц коэффициент асимметрии тягового тока

Максимально допускаемый коэффициент асимметрии тягового тока

150

0,0167

550

0,0045

175

0,0143

600

0,0042

200

0,0125

650

0,0038

250

0,0100

700

0,0036

300

0,0083

750

0,0033

350

0,0071

800

0,0031

400

0,0062

850

0,0029

Поперечная асимметрия сопротивления рельсовой линии возникает при несимметричном изменении сопротивлений рельсовых нитей рельсовой линии по отношению к земле. Практически сопротивления всех этих элементов зависят от температуры окружающей среды и изменяются во времени при их загрязнении токопроводящими материалами и старении [3]. В РЦ, ограниченных изолирующими стыками с ДТ, падение тягового напряжения между средними точками основных обмоток ДТ на первой рельсовой нитиU T1 и на второй рельсовой нитиU T2 одинаковы, т.е. U T1 = U T2 . Следовательно, входные сопротивления первой и второй рельсовых нитей BX Z 1 и ZBX BX1 BX2 2 для тягового тока от средней точки ДТ, установленного на входном для тягового тока конце РЦ, до такой же точки ДТ на выходном конце для тягового сле-тока РЦ и втекающие в эти нити тяговые токиI T1 и I T2 связаны сле I BX22. дующим соотношением: I T1ZBX BX1 1 = T2 Z BX Одинаковы также падения напряжения на отрезках рельсовых нитей между первой колесной парой головного электровоза и средней точкой основной обмотки ДТ на выходном конце РЦ. Поэтому таким же соотношением связаны втекающие в рассматриваемые сопро-отрезки рельсовых нитей тяговые токиI T1 и I T2 и входные сопро тивления этих отрезков рельсовых нитей BX Z1 и ZBX BX1 BX2 2. 44

Входные сопротивления включают в себя сопротивления всех элементов рельсовых нитей и сопротивления взаимной индуктивности. C учетом этого формулу для вычисления коэффициента асимметрии тягового тока в пределах всей РЦ, ограниченной изолирующими стыками, или под катушками АЛС движущегося по такой РЦ электровоза можно записать в следующем виде: − Z BX |ZZ ZBX %1 12– %2| BX1 BX2 ,, (1.3) kk AA IZ == |ZZ ZBX | Z BX1 1+ BX2 BX 2 %12+ % k рель-где AZ — коэффициент асимметрии входных сопротивлений рель совых нитей. ZBX Отсюда, IITT12 2%= ZZ . 1Тяговые токи в рельсовых нитях в BX2 2/Z BX BX1 1% общем случае обратно пропорциональны входным сопротивлениям рельсовых нитей РЦ, ограниченных изолирующими стыками с ДТ, или входным сопротивлениям отрезков рельсовых нитей, лежащих перед головным электровозом поезда. На станциях для обеспечения равномерности растекания тягового тока по рельсовым линиям между ДТ, расположенными на соседних путях, устанавливают междроссельные перемычки. На пе ре го гона нах, х, оборудованных бесстыковыми РЦ, для выравнивания тяговых токов в собственных рельсовых нитях рельсовой линии устанавливают дроссели или специальные ДТ. Для выравнивания тяговых токов в соседних путях перегона устанавливают междупутные перемычки. Все это существенно усложняет вычисления входных для тягового тока сопротивлений в этих относительно сложных электрических рельсовых тяговых сетях. Появляющаяся асимметрия тягового тока, вызванная асим метрией продольных или поперечных сопротивлений рельсовых нитей, создает дополнительно асимметрию действующих удельных сопротивлений взаимной индуктивности рельсовых нитей. В результате в процессе формирования асимметрии тягового тока в рельсовой линии появляется своеобразная положительная обратная связь [37]. Это приводит к тому, что асимметрия тягового тока в рельсовой линии оказывается больше асимметрии сопротивлений рельсовых нитей в ней.

2. ЭЛЕ ЭЛЕК К ТР ТРИЧЕСКИЕ ИЧЕСКИЕ И МА МАГНИ ГНИТНЫЕ ТНЫЕ ПА ПАР РА МЕТР МЕТРЫ Ы РЕЛЬСО ЕЛЬСОВ ВЫХ ЛИНИЙ

2.1 2. 1. Продольное и поперечно е сопро сопроти тивлен вления ия рель ре льсов совых ых н и тей Продольное сопротивление рельсовой нити — это ее сопротивление как электрической линии, обладающей стремящимся к бесконечности электрическим сопротивлением по отношению к земле. Поперечное сопротивление рельсовой нити — это сопротивление ее рельсов по отношению к земле. При расчетах РЦ за нормативное расчетное значение продольного удельного сопротивления рельсовой линии как двухпроводной электрической линии для сигнальных токов принимается суммарное сопротивление сплошных рельсов, сопротивлений приварных соединителей и дроссельных перемычек при температуре окружающей среды +20 ◦С. Называется оно при этом нормативным расчет расчет-ным удельным сопротивлением рельсов в рельсовой линии [33] или рельсовой петли [2]. В табл. 2.1 приведены численные значения модуля и фазового угла (аргумента) расчетных удельных сопротивлений рельсов в рельсовых нитях, полученные интерполяцией данных из [2] для рельсовых линий с рельсами Р65 при температуре +20 ◦С. Нормативное расчетное удельное сопротивление рельсов в рельсо рельсо-вой нити будет составлять половину этого сопротивления в рельсовой линии. Как видно из табл. 2.1, расчетное удельное сопротивление рельсов в рельсовых нитях увеличивается нелинейно с ростом частоты гармоники тягового тока. Средний темп роста модуля удельного сопротивления рельсов типа Р65 в рельсовых нитях при росте часто46

ты тока в них до 500 Гц составляет в среднем 0,54 Ом/км на каждые 100 Гц. После 500 Гц этот темп уменьшается до величины, равной в среднем 0,41 Ом/км. Табл Та бли ица 2 .1 Расч Ра счетные етные уде удельные льные сопротивле ния рельсов в рельс овых нитях с ре рел л ьс ьса ами т ип ипа а Р65 Частота, Гц

Модуль Фазовый удельного угол сопротивления, Ом/км

Частота, Гц

Модуль Фазовый удельного угол сопротивления, Ом/км

25

0,25

52,0◦

400

2,38

78,4◦

50

0,40

65,0◦

450

2,60

79,5◦

75

0,54

68,0◦

500

2,80

80,0◦

100

0,65

69,0◦

550

3,00

80,0◦

150

0,89

71,0◦

600

3,20

80,5◦

175

1,00

72,0◦

650

3,40

80,5◦

200

1,30

73,5◦

700

3,60

80,5◦

250

1,58

74,9◦

750

3,80

81,0◦

300

1,85

76,2◦

800

4,00

81,0◦

350

2,12

77,3◦

850

4,20

81,0◦

Темп увеличения аргумента этого сопротивления при росте частоты тока до 400 Гц составляет в среднем четыре градуса на 100 Гц прироста частоты. Увеличение частоты тока от 600 до 1050 Гц вызывает рост аргумента данного удельного сопротивления в среднем на полградуса на каждые 100 Гц. В итоге, например, при частоте тока в рельсах 500 Гц их удельное сопротивление равно 79 82 5,1 Ом/км. 2,82e Ом/км, а при частоте тока в рельсах 1050 Гц — e В задачах ЭМС численное значение удельного продольного сопротивления сплошных рельсов в рельсовой нити берется равным половине удельного сопротивления сплошных рельсов в рельсовой линии. Величина этого сопротивления зависит от типа рельсов, 47

от величины и частоты гармоники тягового тока или токов помех в них, от температуры окружающей среды. Для рельсовой нити с рельсами типа Р65, звеньями длиной 25 м и медными приварными соединителями на частоте тока 50 Гц при температуре +20 ◦С удельное сопротивление сплошных рельсов можно принимать равным , 70 Ом/км [2, 3]. ze p = 06 Переходное сопротивление изоляции «рельс–земля» (две нити в параллель) в соответствии с требованиями пункта 8.1.10 Стандарта [10] должно быть не менее 0,25 Омкм. Следовательно, сопротивление изоляции по отношению к земле одной рельсовой нити должно быть не менее 0,5 Омкм. Максимальное значение этого сопротивления 18,0 Ом·км [41]. Сопротивление рельсов по отношению к земле включает в себя сопротивление, распределенное по длине рельсовой линии и называемое рядом автором сопротивлением изоляции рельсовой линии, а также сопротивления цепей заземления различных конструкций, подключаемых к рельсовой сети. Величина сопротивления индивидуальных и групповых цепей заземления различных конструкций, подключаемых к среднему выводу ДТ или дросселя, должна быть не меньше 5 Ом. Если цепи заземления подключаются к рельсу двухниточной РЦ, то при индивидуальных заземлениях это сопротивление должно быть не меньше 100 Ом, а при групповых заземлениях не меньше 6 Ом [18]. При расчетах РЦ минимальное удельное сопротивление заземленных опор контактной сети принимается равнымro = 2 Ом · км [1]. Асимметрия сопротивлений изоляции рельсовых нитей рельсовой линии по отношению к земле может возникнуть в кривых пути с железобетонными шпалами. Механическая нагрузка на внешнюю рельсовую нить в кривых выше, отчего элементы изоляции железобетонных шпал с этой стороны быстрее выходят из строя. В результате сопротивление изоляции железобетонной шпалы по отношению к земле с этой стороны становится меньше по сравнению с внутренней стороной рельсовой линии. При исправных элементах изоляции с другой стороны шпалы такая неисправность никак не сказывается на работе РЦ, она может существовать неопределенно долго. 48

2.2. Элект лектри рическ ческие ие и маг магн н ит итн н ые пара параме метр тры ы элем элемен ентов тов рельсовы рел ьсовыхх ни нитей тей Элементами рельсовых нитей, определяющими величину их продольного сопротивления, являются сплошные рельсы, токопроводящие и изолирующие стыки, дроссельные перемычки и сопротивления секций основных обмоток ДТ. Величина поперечного сопротивления рельсовой нити зависит от сопротивления шпал, от входных сопротивлениями цепей заземления опор контактной сети и других конструкций, подключаемых к рельсам. На участках с железобетонными шпалами поперечное сопротивление рельсовой нити зависит еще от сопротивления элементов их электрической изоляции.

2.2.1. Рельсы в рельсовых нитях Величина продольного сопротивления рельсовых нитей зависит, прежде всего, от величины сопротивления сплошных рельсов в них, которые обладают активным и индуктивным сопротивлениями. При протекании гармоник тягового тока по сплошным рельсам поверхностный эффект приводит к увеличению потерь мощности в них. Отношение этой потери мощности к действующему значению тока называют активным электрическим сопротивлением. На величину активного сопротивления сплошных рельсов переменному току влияют частота тока, форма сечения рельса, а также проводимость и магнитная проницаемость стали, зависящие от тока в рельсах. Активное сопротивление сплошных рельсов как ферромагнитного проводника в соответствии с формулой Неймана:

RP =

l u

µ0µer ρω Oм,

(2.1)

где l — длина проводника в м; u — периметр поперечного сечения в мм; про-µ0 = 4π · 10–7 Гн/м — магнитная проницаемость свободного про странства; 49

µer — относительная магнитная проницаемость рельсовой стали, зависящая от величины протекающего по рельсу тока и определяемая по основной кривой намагничивания; 2 ρ — удельное сопротивление рельсовой стали в Оммм /м; ω — угловая частота в рад/с. Зависимость активного сопротивления рельсов от тока в них с достаточной для практических результатов точностью (погрешность 5–10 %) можно найти по характеру изменения относительной проницаемости рельсовой стали от напряженности магнитного поля на поверхности [8]. Напряженность магнитного поля прямолинейного проводника постоянна вдоль круговой силовой линии:

H=

I

A/м, (2.2) 2πr где I — сила тока в проводнике; r — расстояние от проводника в плоскости, перпендикулярной про про-воднику. График зависимости относительной магнитной проницаемости полу-рельсовой стали er eµr от напряженности магнитного поля H, полу ченный по результатам экспериментов в институте ЛЭТИИЖТ, показан на рис. 2.1 [8]. Зависимость эта близка к линейной при росте напряженности магнитного поля до величины порядка 1100–1200 А/м. В области слабых магнитных полей, создаваемых сигнальными токами величиной до 30 А, при расчетах начальную магнитную проницаемость берут равной µer er≈100. Следовательно, с ростом тягового тока в рельсовой линии напряженность магнитного поля, создаваемого этим током, в соответствии с выражением (2.2) растет линейно, а величина активного сопротивления рельсов в соответствии (2.1) растет прямо пропорцио нально квадратному корню от величины этого тока. Величина внутренней индуктивности сплошных рельсов может рассчитываться по формуле [28]:

LCP =

06 , RP ω

Гн.

(2.3)

Индуктивный характер сопротивления сплошных рельсов и сопротивления стальных стыковых рельсовых соединителей опре50

Рис.. 2. Рис 2.1 1. Завис Зависимость имость относ относит ительно ельной й магнит но ной й проницае мости рельсово й нап п р я ж ен енно носс т и ма магг ни нитт ного п ол оля я ста ст а л и µer о т на

деляет то, что с ростом частоты тока их сопротивления растут, в том числе и из-за действия поверхностного эффекта. Явление поверхностного эффекта сказывается тем сильнее, чем больше частота и величина тока, чем больше поперечное сечение проводника и меньше его поверхность; чем больше магнитная проницаемость стали, из которой изготовлен рельс.

2.2.2. Сборные токопроводящие стыки Сборные токопроводящие стыки — одни из массовых элементов рельсовых линий звеньевого пути. Сопротивления таких стыков в соответствии с требованиями стандарта [9] на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе, не должны уве51

личивать сопротивление рельсовой нити больше, чем на 20 %. Этим повышается уровень защиты сооружений от электрокоррозионного воздействия блуждающими токами. Данные требования действуют и для участков с электротягой переменного тока. Следовательно, при длине рельсового звена 25 м сопротивление токопроводящего стыка длиной 1 м не должно превышать сопротивления отрезка целого рельса длиной 6 м. Рассчитанные с учетом данных положений абсолютные значения нормативного сопротивления токопроводящих стыков с учетом требований стандарта [10] для участков с электрической тягой постоянного и переменного тока приведены в табл. 2.2. Табл Та бли ица 2 .2 Расчетные предельно пр едельно допуст имы имые е зна значени чени я сопрот ив ивлени лени я сборны х токопроводя щи щихх сты стыков ков Тип рельсов

Р75 Р65 Р65 Р50 Р50 Р43 Р43

Длина рельсового звена, м

25,0 25,0 12,5 25,0 12,5 25,0 12,5

Предельно допустимое значение сопротивления сборного стыка, мкОм постоянному току 130 150 15 0 75 190 19 0 95 220 110

переменному току 50 Гц (модуль) 310 360 180 18 0 450 225 520 260

При расчетах этих значений учитывалось, что удельное активное сопротивление рельсовой нити зависит от величины тока. Например, с ростом тока частотой 50 Гц в рельсах типов Р75 и Р65 от 0 до 300 А их активное удельное сопротивление растет соответственно в 1,57 и в 1,6 раз [41]. Поэтому численные значения последней колонки табл. 2.2 можно считать ориентировочными. Для наиболее распространенных на магистральных железных дорогах рельсов типов Р50, Р65 и Р75 при длине рельсового звена 25 м за предельное максимально допустимое значение сопротивления сборного токопроводящего стыка можно брать величину порядка 0,35–0,45 мОм. 52

Электрическое сопротивление между рельсами и накладками зависит от чистоты поверхности их соприкосновения и величины усилия затяжки болтов. При нормативной затяжке стыковых болтов, когда осевое усилие составляет 3–4 т, а сопротивление «рельс– накладка» находится в пределах 2–4 мкОм [27], накладки воспринимают 85–90 % тягового тока, значительно облегчая работу стыковых соединителей. Считается, что через стыковой рельсовый соединитель вообще не должно проходить больше 20 % тягового тока рельса [21]. Превышение этой величины происходит только при сильном загрязнении поверхностей контакта накладок с рельсами или при плохом креплении накладки к рельсу. По результатам исследований [3] медные не приваренные к рельсам тяговые рельсовые соединители сечением 50 2мм при токе 25 А на частоте 25 Гц обладали сопротивлением с модулем 260 мкОм и аргументом 61о. На частоте 50 Гц модуль этого сопротивления был о равен 400 мкОм, а аргумент 72 . Сопротивления стыковых соединений рельсовых звеньев при отсутствии каких-либо стыковых соединителей сразу после проведения капитального ремонта пути составляли в электрическом сопротивлении рельсовых нитей не более 5–7 %. Однако через 2–3 месяца эксплуатации величина этих сопротивлений возросла до предельно допускаемой величины [41]. Было доказано, что сопротивления тяговых медных рельсовых стыковых соединителей зависят главным образом от величин переходов между проводом соединителя и наконечниками (манжетами) [42]. На основании этого было предложено использование на участках с электротягой переменного тока более надежных и менее дорогих стальных и сталемедных рельсовых стыковых соединителей. Рельсы являются мощным радиатором, отводящим тепло. Поэтому ограничения по условиям допускаемого нагрева стальных приварных соединителей могут быть только в зонах, непосредственно примыкающих к местам подключения к рельсовой сети отсасывающих линий тяговых подстанций, особенно при ре регу гулярных сгущениях поездов на участках с крутыми подъемами или при увеличении интенсивности движения тяжеловесных поездов. Решающее влияние на температуру перегрева соединителя оказы53

вают переходные сопротивления, зависящие от качества сварного шва, контакта между тросом и манжетой, а также толщины манжеты. Результаты этих исследований используется в настоящее время и на зарубежных железных дорогах [47].

2.2.3. Дроссельные перемычки Сопротивление дроссельных перемычек включает в себя сопротивления переходов «рельс–штепсель дроссельной перемычки–соединение штепселя с проводом дроссельной перемычки–соединение провода дроссельной перемычки с наконечником–соединение наконечника с выводом ДТ». По данным [32] электрическое сопротивление переходов «наконечник или штепсель–провод» должно быть не более 0,1 Ом. В то же время по данным ПКТБ ЦШ эта величина не должна превышать 44 мкОм. Электрические сопротивления на переходах «медные провода– наконечники (штепсели)», а также «штепсели–рельсы» также растут по мере увеличения времени их эксплуатации из-за действия коррозии.

2.2.4. Цепи заземления Рельсовая сеть обладает невысоким сопротивлением по отношению к земле, поэтому она широко используется для подключения к ней различных цепей заземления. В соответствии с Правилами устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭЦЭ-868) 868) заземлению подлежат все расположенные в зоне влияния контактной сети переменного тока металлические сооружения, на которых возникают опасные наведенные напряжения. Эти цепи заземления не должны нарушать нормальное функционирование РЦ во всех режимах работы: в нормальном, шунтовом, контрольном, в режиме АЛС. Пониженное сопротивление средних точек ДТ наиболее неблагоприятно влияет на контрольный режим. Существенное снижение входных сопротивлений средних точек ДТ относительно земли характерно для станционных РЦ, примыкающих к горловинам, а также для станционных и перегонных РЦ при наличии междупутных перемычек [21]. 54

Сопротивление заземления конструкции зависит от ее размеров, типа, глубины залегания в грунт, типа фундамента, степени влажности и химического состава грунта, срока эксплуатации конструкции. Фактическое сопротивление цепей заземления обычно ниже у металлических опор и сооружений, у которых оно изменяется в пределах 0,5–200,0 Ом. На сети железных дорог около 40 % рассматриваемых заземлений обладают сопротивлением до 10 Ом, 70 % — до 20 Ом и свыше 90 % — до 50 Ом [21]. Сопротивление цепи заземления каждой новой опоры контактной сети («заземляемые конструкции–заземляющий проводник– рельс–грунт–защитный слой бетона фундаментной части–арматура опоры–защитный слой бетона надземной части–заземляемые конструкции») при измерении в сухую погоду на участках переменного тока должно быть не менее 1,5 кОм [18]. Железобетонные опоры имеют сопротивление заземления (в цепи между консолью и рельсом) в пределах от 10 до 40 000 Ом, причем около 40 % опор имеет сопротивление меньше 1600 Ом [21]. Сопротивление заземлений железобетонных сооружений зависит от проводимости бетона в слое между хомутом и арматурой, наличия электроизолирующих покрытий на фундаментных и закладных деталях. На ряде участков железных дорог используются металлические опоры контактной сети. Анализ численных значений сопротивления цепей их заземления показал, что абсолютное большинство металлических опор не отвечает действующим требованиям. Величина этого сопротивления чаще была более 30–40 Ом, а у некоторых опор не превышала 5–10 Ом [41]. Пределы сопротивлений по отношению к земле у искусственных сооружений следующие: мосты от 0,2 до 1000 Ом; путепроводы от 0,15 до 40 Ом; пешеходные мостики и виадуки от 0,4 до 20 Ом. Сопротивления заземления релейных шкафов и светофорных мачт составляет 20–30 Ом [21]. На электрифицированных участках переменного тока металлические опоры, конструкции крепления контактной сети и высоковольтные линии напряжением выше 1000 В на железобетонных опорах заземляют на рельсовую цепь: 55

– при индивидуальном заземлении через искровой промежуток, если сопротивление опоры менее 100 Ом при подключении к рельсу двухниточной РЦ и менее 5 Ом — при подключении к средней точке ДТ; – при групповом заземлении через искровой промежуток, если сопротивление цепи заземления опор менее 6 Ом на 1 км при подключении к рельсу двухниточной РЦ и менее 5 Ом — при подключении к средней точке ДТ; – наглухо при индивидуальном или групповом заземлении в остальных случаях [18]. Максимальная длина провода группового заземления железобетонных и металлических опор контактной сети при переменном токе при Т-образной схеме их подключения составляет 400 (2×200) м, а при Г-образной схеме их подключения составляет 200 м [18, 21]. зави-Количество опор nO на рассматриваемом километре пути зави сит от средней длины пролета между опорами контактной сети. Если длина пролета измеряется в метрах, то величина сопротивле ния цепей заземления опор в расчете на один километр r O зависит следующим образом от длина пролета между опорами контактной сети lПР ПР : −3 rR OO= 10

zPH PH2 2, то в этом случае в соответствии с (3.7) можно использовать формулу: 1+ kAZ . ω ω zz = () () PH12 PH (3.8) 1− kAZ Если известна величина стыкового коэффициента удельного сопротивления для одной рельсовой нитиНC k 1 и необходимо найти НC1 величину коэффициента удельного сопротивления для другой рельсовой нити kНC НC2 2 , который обусловливает определенную величину коэффициента асимметрии продольного сопротивления рельсовой линии kAZ , то для этого можно использовать формулу:

kk ! 21= HC

! HC

1− kA Z . 1+ kA Z

(3.9)

Найдем, например, величину стыкового коэффициента удельного сопротивления рельсовой нити HC2 kC2 , при котором коэф H фициент асимметрии тягового тока AZ kZ = 0,05, когда величина A коэффициента удельного сопротивления другой рельсовой нити kHC k 2 = 1,2 · (1–0,05)/ HC1 1 = 1,2. В соответствии с формулой (3.9) HC HC2 (1+0,05) =1,0857. Следовательно, в таком случае у второй рельсовой нити модуль величины удельного сопротивления составляет для рассматриваемого случаяTC |z2 | = 0,3 · 1,0857 = 0,326 Ом/км. TC2 На участках с электротягой переменного тока при ДТДТ-1-150 1-150 в качестве максимально допускаемой принята асимметрия тягового тока, равная 15 А. Отсюда AIk = 0,05 при максимальном тяговом токе в рельсовой линии 300 А [21]. Следовательно, в РЦ с дроссельтрансформаторами типа ДТДТ-1-300 1-300 при тяговом токе в рельсовой линии 600 А рассматриваемый коэффициент асимметрии не должен превышать 2,5 %. Тогда допускаемая величина данного коэффициента на горных участках при движении тяжеловесных поездов должна быть еще меньше. Для достаточно строгого обоснования предельно допускаемой величины асимметрии переменного тягового тока в местах подключения к рельсам аппаратуры РЦ и под приемными катушками АЛС необходимы исследования для определения допустимой величины абсолютного значения асимметрии тягового тока в этих местах рельсовых линий при движении тяжеловесных поездов. 108 10 8

3.3. Вза Взаимные имные инду ктивн ктивности ости в рельс рельсов овой ой тяго тяговой вой сети При исследовании влияния тяговых токов в рельсах на устойчивость работы РЦ и АЛС необходимо учитывать, что рельсовые нити в рельсовой линии обладают взаимной индуктивностью, вызываемой их внешней индуктивностью. Необходимо учитывать также электромагнитные влияния токов в соседних рельсовых линиях, в контактных проводах, в несущих тросах контактной сети и в проводах высоковольтных линий электроснабжения, размещаемых на опорах контактной сети, используя соответствующие взаимные индуктивности. При анализе особенностей протекания тяговых токов по рельсовым нитям рассматривают, как указывалось ранее, следующие взаимные индуктивности: – взаимную индуктивность между рельсовыми нитями собственной рельсовой линии; – взаимную индуктивность каждой собственной рельсовой нити с каждой рельсовой нитью соседнего пути; – взаимную индуктивность каждой собственной рельсовой нити с контактными проводами; – взаимную индуктивность каждой рельсовой нити с высоковольтными линиями электропередачи или линиями электроснабжения [41]. Рассмотрим двухпутный перегон на участке с электротягой переменного тока, оборудованный простой контактной подвеской (без несущих тросов) и РЦ длиной РЦ l , ограниченными изолирующими стыками с ДТ. В таких РЦ падения тягового напряжения Ū РЦ на РЦ рельсовых нитях рельсовой линии одинаковы и равны напряжению между средними точками ДТ, установленных по концам РЦ. Распределение тяговых токов по рельсовым нитям, а также токи в контактном проводе и в линии продольного электроснабжения (ЛЭП), размещенной на опорах контактной сети, показ показано ано на рис. 3.3. Там же показаны взаимные индуктивности этих элементов. Рельсовые линии и контактные провода нумеруются слева направо. Сопротивления рельсовых нитей Z 1x, Z2x, Z3x и Z4x включают продольные и поперечные электрические сопротивления, величина которых в общем случае изменяется по длине рельсовых линий. 109 10 9

Р ис ис.. 3.3. Элек Электтри рич ческ ские ие и ма маггни тные пара рам метры ре рел ль сов совы ых л ини й д ву вухх п у т ног ного о элек электт риф рифи и ц и р ов ова а н ног ного о у ча част сткк а жел железно езной й дор дорог оги и

Причины изменения во времени продольных сопротивлений в рельсовых нитях — повреждения и старение стыковых соединений рельсовых звеньев и дроссельных перемычек. Поперечные сопротивления рельсовой линии включают в себя сопротивления шпал и поверхностного слоя балласта 12R x, R34x сопротивления рельсов по отношению к земле 1зRx, R2зx, R3зx, R4зx и входные сопротивления цепей заземления опор контактной сети R1ox, R4ox. Для уменьшения потерь мощности в рельсовой тяговой сети и выравнивания тяговых токов в рельсовых линиях вдоль перегона устанавливаются междупутные перемычки, не показанные на рис. 3.3. 110 11 0

Величины сопротивлений R12x и R34x изменяются при ухудшении состояния электроизолирующих элементов железобетонных шпал или при увлажнении поверхности загрязненных деревянных шпал. Величины сопротивлений R1зx, R2зx, R3зx, R4зx зависят от состояния балласта. Величины сопротивлений 1R ox и R4ox уменьшаются при ухудшении состояния электроизолиру ющих элементов в цепях заземления опор контактной сети. Величины тяговых токов в рельсовых нитях 1xĪ, Ī 2x, Ī 3x и Ī 4x изменяются по длине рельсовой нити, если меняется интенсивность стекания тяговых токов из рельсов в землю. Происходит это при изменении соотношения величин продольного и поперечного сопротивлений рельсовой нити по ее длине. Тяговые токи в контактных проводах К1 и К2 обозначены KĪ 1, Ī K2, а обобщенный ток в линии продольного электроснабжения ЛЭП обозначен ВЛ Ī . Все эти токи изменяются во времени. Взаимные индуктивности обозначены: MMMM 12;; 13 14;; 23 MM 24; 34— между рельсовыми нитями своего и соседнего путей; ; MM MM 12KK;; 22 3K14 3K 14 K1 — между соответствующей рельсовой нитью и контактными проводами соседних путей; ;; MM M 3B; M 4B — между соответствующими рельсовыми нитя12 BB BB ми и проводами ЛЭП. Симметричные взаимные индуктивности между контактными проводами и рельсовыми нитями собственных рельсовых линий ; ; K2 на рис. 3.3 не показаны, чтобы не загроMM 12 K1 K1 и MM 3K24 мождать схему. Численные значения удельной взаимной индуктивности для соответствующей гармоники тягового тока между рельсовыми нитями 1 и 2 собственной рельсовой линии, между контактным проводом с контурами «рельс–земля» каждой собственной рельсовой нити и между несущим тросом с контурами «рельс–земля» каждой собственной рельсовой нити можно находить по формулам соответственно (2.14), (2.16) и (2.17). При вычислениях взаимных индуктивностей рельсовых нитей рассматриваемого пути с рельсовыми нитями, с контактными проводами и несущими тросами контактной подвески соседних путей соответствующие расстояния находят с учетом фактических значений междупутных расстояний. 111

Величина удельной взаимной индуктивности между электрическими линиями обратно пропорциональна расстоянию между ними. Однако темп уменьшения этой индуктивности заметно меньше темпа увеличения рассматриваемого расстояния. Например, на частоте тягового тока 50 Гц при расстоянии между рельсовыми нитями с рельсами типа Р50, равном 1,52 м, величина удельной взаимной индуктивности рельсовых нитей равна ° , 5e− j 7 мГн/км. При высоте подвески контактного провода над 13 верхом головки рельса 6,55 м удельная взаимная индуктивность контактного провода и рельсовой нити в тех же условиях составляет − j 9° , 7e мГн/км [8]. Следовательно, при увеличении расстояния 10 между однопроводными электрическими линиями в 4,31 раза взаимная индуктивность между ними на частоте 50 Гц уменьшается только в 1,26 раза. Удельные сопротивления взаимной индуктивности i-той и j-той электрических линий равны zMij = jωM ij , где ω — частота соответствующей гармоники тягового тока. Расстояния до рельсовых нитей соседних путей и от контактных проводов и ЛЭП до каждой из рельсовых нитей соответствующей рельсовой линии различны. Поэтому различны и соответствующие удельные сопротивления взаимной индуктивности ZM13 ≠ Z M14 , ZM23 ≠ Z M24 , ZM1к2 ≠ Z M2к2 , ZM1B ≠ Z M2B , ZM3к1 ≠ Z M4к1 , ZM3B ≠ Z M4B . Мощные электромагнитные влияния на рельсовые линии могут возникать при разрядах молний и коммутационных перенапряжениях. В ряде случаев приходится также учитывать электромагнитные влияния высоковольтных линий автоблокировки; несущего троса, усиливающего и экранирующего проводов контактной тяговой сети, а также группового заземления.

3.4. 3. 4. Процессы возник возн икновен новения ия асим асиммет метри рии и тягов тягового ого ток тока а в рельс рельсов овых ых линиях При замерзшем грунте утечку тягового тока из рельсов в землю в первом приближении можно не учитывать. Тогда эквивалентную схему замещения РЦ на однопутном перегоне, ограниченной изолирующими стыками с ДТ, можно представить в виде, показанном PЦ на рис. 3.4. Падением тягового напряжения для его гармоник U "T& в 112 11 2

пределах РЦ в таком этом случае является напряжение между средними точками основных секций ДТ. Условной длиной lРЦ РЦ рельсовой цепи тогда можно считать расстояние между средними точками основных секций этих ДТ. При проведении анализа рельсовую линию в таких условиях можно представить как параллельное соединение индуктивно связанных рельсовых нитей. При исследовании помех под катушками АЛС за эту условную длину принимается расстояние от первой колесной пары головного локомотива до средней точки основных секций ДТ, установленного на выходном конце РЦ.

Р ис. 3.4. Эк Экви вив в а лен лентт н а я схе схема ма з а меще мещен н и я р ел ель ь с ов овой ой л и н и и д л я си сигг на нал л ьног ьного о т ока р ел ель ь с овой цеп цепи и

Для такой двухниточной неразветвленной РЦ, ограниченной изолирующими стыками с ДТ на обоих концах, распределение & падения напряженияU "PЦ T по элементам первой и второй рельсовых нитей, в которых протекают тяговые токи соответственноT1İ и İ T2, с учетом [2] можно найти из уравнений: PЦ

U " T& = İ T1ZP1l PЦ + İ T2ZM l PЦ+ 0,5 İ T1ZДT;

(3.10)

& U "PЦ T = İ T2ZP2l PЦ + İ T1ZM l PЦ + 0,5 İ T2Z ДT,

(3.11)

где ZДT — сопротивление основной обмотки ДТ для тягового тока. Уравнения справедливы при отсутствии асимметрии тягового тока в рельсовой линии, т.е. когда Tİ1=İ T2. Если же это равенство не выполняется и, например, Tİ1>İ T2, то эти уравнения перепишутся в следующем виде [37]: 113

UIT" 1 =+T" 11zlP UIT" 2 =+T" 2 zlР 22

1 − kA I IzT""11 M lI+ 1+ kA I

T

1+ kАI Iz 1− kА I T""

T2

М

lI+

nzДT" ;,

(3.12)

nzДT" .

(3.13)

Из уравнений и (3.13) удельные сопротивления рельсовых нитей в рассматриваемых условиях при наличии асимметрии тягового тока:

U T" 1 ==zz РН1 Il"T1 U"T 2 ==zz РН22 Il"T 2

1− kАI zn + zlДТ" / ,; 1+ kА I М

(3.14)

1 + kАI zn + zlДТ" / . + 1 − kА I М

(3.15)

+

Р1

Р

И сопротивление основной обмотки ДТ, и удельное сопротивление взаимной индуктивности рельсов, и удельные сопротивления рельсовых нитей зависят от частоты ω тока, протекающего по ним. При решении рассматриваемой задачи сопротивления рельсовых нитей обозначены: ZP1=r P1+jωL P1; ZP2=r P2+jωL P2,

(3.16)

где rP1, rP2 — суммарные удельные активные сопротивления рельсов, включающие в себя активные сопротивления сплошных рельсов, переходные сопротивления в токопроводящих стыках и в дроссельных перемычках в рельсовых нитях соответственно 1 и 2; L P1, L P2 — удельные индуктивности рельсов с учетом индуктивностей тяговых рельсовых соединителей, дроссельных перемычек, а также секций основных обмоток ДТ в рельсовых нитях соответственно 1 и 2. С учетом этого формулы (3.14) и (3.15) можно записать в следующем виде:

zrPH11=+P

zrPH 22=+P 114 11 4

1 − kA I jM + ω 1+ kAI

2

+ nj ωLlДТ / ,;

(3.17)

1 + kАI jM ω 1− kА I

2

+ nj ωLlДТ / ,

(3.18)

jL ω

P11

jL ω

P 21

+

где LДТ — индуктивность секции основной обмотки ДТ. Из уравнений видно, что с ростом частоты тока в рельсовой линии все члены этих уравнений, кроме первых, растут пропорционально частоте тока. Это необходимо учитывать при анализе уровней помех, создаваемых различными гармониками тяговых токов. Из формул следует, что на продольную асимметрию сопротивления рельсовой линии влияет не только асимметрия удельных сопротивлений рельсовых нитей, но и возникающая асимметрия взаимной индуктивности этих нитей. Для более четкого разделения составляющих асимметрии тягового тока в рельсовой линии по факторам, ее вызывающим, введем понятие действующего удельного сопротивления взаимной индуктивности рельсовых нитей, обозначив его Mz′. Из формул (3.14) и (3.15) для рельсовых нитей 1 и 2 приT1İ>İ T2:

1− k I1 − kA I z′MM1 = zMM ′ = zz , zz ;, 1+1k I1+ kA I M

1 + k 1+ k ′ 2 = ′ 2 =AI zM . I z . 1 − kAI 1− k I

(3.19)

Введем также следующие термины: коэффициент асимметрии удельных сопротивлений рельсов в рельсовых нитях AP kи коэффициент асимметрии действующих удельных сопротивлений от взаимной индуктивности рельсовых нитей kAM AM . Тогда с учетом принятого тяговых токов в рельсовых нитях: > İ соотношения İT1 T2

kAP =

zz − P2 zz + P1

P1 ;

;.kAM =

P2

2kA I zz ′ − M′ M 21 = 1 + k2AI zz ′M12+ M′

(3.20)

На рис. 3.5 показаны найденные зависимости соотношения kAM /k AP от абсолютного значения удельного сопротивления рельсов |zP| при разных величинах коэффициента асимметрии тягового тока kAI в рельсовой линии. При малых значениях удельного сопротивления рельсов P| |z асимметрия тягового тока формируется в основном под действием асимметрии сопротивления взаимной индуктивности рельсовых нитей. Рост удельного сопротивления рельсов и увеличение асимметрии тягового тока вызывают уменьшение влияния асимметрии взаимной индуктивности рельсов на величину асимметрии тягового тока. При низких температурах окружающей среды и невысоких значениях тягового тока в рельсах асимметрия сопротивления рельсов 115 11 5

величины личины уд удель ельн ного Р ис ис.. 3.5. За Зависи висимос мостть отношен ошени и я AM k /k AP от ве при и разных величинах коэф эфф фици ицие ента сопр соп р о т и в лен лени и я р е л ь с ов |PZ| пр асимм ас имметр етрии ии тяго ягово вого го тока AI kI A

kAP является причиной появления не более 20 % от величины асимметрии тягового тока в рельсовой линии, измеряемой относительной величиной — коэффициентом асимметрии тягового токаAIk. С ростом температуры и/или величины тягового тока влияние асимметрии сопротивления рельсов на асимметрию тягового тока растет. При движении тяжеловесных поездов, когда температура окружающей среды находится в районе +20 °C, асимметрией сопротивления рельсов вызывается рост коэффициента асимметрии тягового тока уже до 30 %. Таким образом, первопричиной возникновения асимметрии тягового тока в рельсовых линиях является появление асимметрии сопротивлений рельсов в рельсовых нитях. Но величина асимметрии тягового тока при этом в большой степени зависит и от взаимной индуктивности рельсовых нитей. Решая систему уравнений (3.10)–(3.11), получаем: 116 11 6

I "T1 = I "Т 2 =

, Zz l& + 05 & ДТ − М PЦ U "PЦ Т ; 22 , Zz , ДТ − zlМ PЦ& zlP1 PЦ&" + 05 lZ&" + 05 ДТ P2 PЦ zlP2

&" PЦ

()

()

, Zz zlР1 РЦ&" + 05 ДТ −

()zl

&" Р1 РЦ

, Zz + 05 ДТ

()

l

& М РЦ

, lZ + 05

&" Р2 РЦ

& . (3.22) U "РЦ Т

22

ДТ

− zlМ

(3.21)

& РЦ

Из (3.21) и (3.22) коэффициент асимметрии тягового тока в рельсовой линии РЦ, например, при İT1>İ T2: & kАРЦ I =

IIТ" 1 − IIТ" 1 +

"2 Т

=

Т" 1

zz Р2 − Р1 . 2 ++ / − zz Zl z " & Р 12 Р ДТ РЦ М

(3.23)

Следовательно, с изменением частоты гармоники тягового тока в рельсовой линии численные значения всех параметров, используемых в формуле (3.23), меняются. С ростом сопротивления рельсов влияние асимметрии сопротивлений рельсовых нитей на асимметрию тягового уменьшается. Поэтому увеличение тягового тока в рельсах при движении тяжеловесных поездов и в районах тяговых подстанций не приводит к пропорциональному росту количества сбоев в работе РЦ и АЛС. Асимметрия тягового тока в рельсовой линии приT1İ >İ T2:

IIAII =

− IkT =

""12 T

& РЦ " A T

I .

(3.24)

Тяговые токи в рельсовых нитях: İ T1 = 0,5 (İ T + İ AI );

(3.25)

İ T2 = 0,5 (İ T – İ AI ).

(3.26)

Пример 3.1. Двухниточная РЦ ограничена изолирующими стыка стыка-ми с дроссель-трансформаторами типа ДТДТ-1-300. 1-300. Найти коэффициент асимметрии сопротивлений рельсовых нитей, а также коэффициент асимметрии тягового тока в месте подключения аппаратуры РЦ. Дано: длина рельсовой цепиРЦl = 1,2 км; тип рельсов Р65; температура окружающей среды –22 °С; тяговый ток в рельсовой линии İ T = 50 А с частотой f = 175 Гц; удельные сопротивления рельсов у первой и второй рельсовых нитей при температуре окружающей , j 72 и ze , j 72 Ом/км. ze среды +20 °С соответственно zP22 = 15 P1z 1 = 12 117

Решение. Находим по формуле (2.22) удельные сопротивления рельсов у рельсовых нитей при температуре окружающей среды –22 °С:

zz Р1 =+

− 2 Р12

()

=

21 ,[] − 0 00461 , ⋅ 42 =), 0 968 Oм/км ;

()

=

51 , ⋅ 42 =), 1 210 Oм/км . [], − 0 00461

° 12 α t t − 01 С

° 12 α t t − 01 zz С Р2 =+ Р 2− 22

Удельное сопротивление взаимной индуктивности с учетом данных табл. 2.7:

zjМ == ω Mj12

°°

2 π⋅⋅ 175 0 131 , ejjj−−68, 83 ⋅ 10 =

0 ,144 e − 68, 8Oм/км.

Если не учитывать сдвиг фазы на –6,88°, то это приведет к появлению погрешности расчетов численного значения удельного сопротивления zM на 0,99 %. Для инженерных расчетов такая погрешность вполне допустима, поэтому при дальнейших расчетах этот сдвиг фаз учитываться не будет. Следовательно, будем считать, что удельное сопротивление взаимной индуктивности рельсовых ° нитей zM чисто индуктивное, равное0, 144ej 90 Oм/км. >>> 175 175 90 jj90 jj90 90° ° == == • 10 , 35 , >

>

İ Т2 с учетом того, что тяговые токи в рельсовых нитях обратно II""12− zz 21− пропорциональны k I их = входным = сопротивлениям: =

II − zz zz 12 + 21− − 2 z = 11+ k I = II""""12 = II − zz + 21− РН −2 z = 11+ Т = zz 12РН kА I = IIТ""""12 2 zМ IIТ""11+ Т >>zz РН12+ РН − 1, 08 , j 881 j 28 2, 874 e >> − 2, 588 e 1, 08 , ° j 881 j 28 = = ° >> , 08 28 , 588 e jj81 j −68, 8° 2 , 874 2 , e − 2 , 874 2 , 588 20 , 144 ee e >> + − ⋅ 1, 08 , = = j 881 j 28 28 , 588 , 8°° jj81 j − 68 °>> ° 2,, 08 874 2 , e e − 2 , 874 2 , 588 20 , 144 ee e + − ⋅ = = >> 28 , jj81, 08 j −68, 8° 2, 874 ee + 2>, 588 e − 20 ⋅ , 144 j65,2° j 65, 2>° 0, 299e > 0, 299e > j 65, 2 j 65,2> = 0, 055 . = = >> 83 ,299 76 jj0 j 86, 7° , 0 , 299 − , 88° e e ° > 0 , 288 5 , 436 e − 65 , 2 65,2> = 0, 055 . = 5, 461ee = j j >> 0 , 0 , 299 ,299 76 e e jj83 j 86,7> − , 88 − 0, 288 = 5, 461ee = 5, 436ej 86,7> = 0, 055. >> 83 , 76 , 88 jj − Асимметрия тягового тока с частотой 175 5, 461ee 5, 436 e Гц в рельсовой линии: − 0, 288 İ AI = k AI · İT = 0,055 · 50 = 2,75 А.

Сопротивления рельсовых нитей не меняются по всей длине РЦ в рассматриваемых условиях. Поэтому коэффициент асимметрии сопротивления рельсовых нитей по длине РЦ также неизменен. Если не учитывать взаимную индуктивность рельсовых нитей, то коэффициент асимметрии сопротивления рельсов в рельсовых нитях рельсовой линии:

kА Z =

zz − Р2 zz + Р1

Р1 Р2

=

1, 210− 0, 968 = 0, 111. 0, 968+ 1, 210

Коэффициент асимметрии тягового тока в рельсовой линии меньше в два раза по сравнению с коэффициентом асимметрии сопротивлений рельсов в ее рельсовых нитях. Вызывается это стабилизирующим эффектом сопротивлений секций основных обмоток ДТ. Допускаемое значение коэффициента асимметрии тягового тока для рассматриваемой гармоники частотой 175 Гц равно 0,0143 (табл. 1). Найденное численное значение этого коэффициента в 3,85 раза больше допускаемого. Поэтому для исключения, мешающего влияния токов этой гармоники на аппаратуру РЦ необходи119 11 9

мо использовать технические средства для защиты аппаратуры от помех или подавлять помехи в их источнике. Для анализа влияния асимметрии тягового тока в рельсовых нитях на устойчивость работы АЛС при действии помех эквивалентную схему замещения рельсовой линии можно представить в виде, показанном на рис. 3.6. Схема эта отличается от эквивалентной схемы на рис. 3.4 тем, что в ней отсутствует ДТ на входном для поезда конце РЦ, а расстоя-

Р ис ис.. 3.6. Эк Экв вива лен ленттная сх схем ема а за замещен мещени ия рельсов овой ой л инии дл я си сигг на нал лов А ЛС

ние от головного электровоза до выходного конца рельсовой цепи l АЛС изменяется по мере движения поезда. Сопротивления отрезков рельсовых нитей от первой колесной пары головного электрово за до средней точки ДТ, установленного на выходном конце РЦ, в этом случае становятся функциями длиныАЛС l этих отрезков. Формулы для вычисления этих сопротивлений принимают следу ющий вид: ! UIАЛС =+ "Т 11zlР "Т АЛС !

UIТ"

АЛС!

=+ Т" 22zlР2! АЛС

02 Iz , 5 Т" 1 ZДТ" ; " 2! М lI Т АЛС +

(3.27)

, 5 Т" ZДТ" . + 02

(3.28)

Iz "1 Т

lI

М АЛС!

Коэффициент асимметрии тягового тока под катушками АЛС для рассматриваемого случая приТ1İ>İ Т2 рассчитывается по формуле: ! kААЛС = I

120 12 0

II""Т 12− II"Т1 +

Т

"Т11

=

++Р 2 zz Р

zz Р 2 − Р1 05 , ZlДТ"! /

АЛС

− 2 zМ

.

(3.29)

Сравнение формул (3.23) и (3.29) показывает, что они отличаются только численными значениями членов в знаменателях соответственно ZДТ /l РЦ и 0,5ZДТ /l АЛС . Во время движения поезда расстояниеАЛС l от головного электровоза до точки подключения к рельсам генератора кодовых сигналов АЛС укорачивается. В результате растет вклад величины элемента 0,5ZДТ /l АЛС , играющего роль балластного сопротивления, в величину коэффициента асимметрии тягового токаk ААЛС под катушками I АЛС. Если электрические параметры рельсовых нитей меняются по их длине, то возникают дополнительные изменения разности сопротивлений ZP1 и ZP2 асимметрии тягового тока и соотношения «сигнал—помеха» на приемных локомотивных катушках АЛС при движении поезда. Пример 3.2. Двухниточная РЦ ограничена изолирующими стыка стыка-ми с дроссель-трансформаторами типа ДТДТ-1-300. 1-300. Вычислить коэффициенты асимметрии тягового тока под катушками АЛС через каждые 0,2 км. Построить графики зависимости коэффициента асимметрии тягового тока под катушками АЛС от расстояния между головным электровозом поезда и концом РЦ. Дано: длина РЦlРЦ РЦ = 1,2 км; тип рельсов Р65; температура окружающей среды –22 °C; тяговый ток в рельсовой линииT İ= 200 А с частотой f = 175 Гц; удельные сопротивления первой и второй рель, 5 ej 72 Ом/км. , 0 ej 72 и 13 совых нитей соответственно12 Решение. Из данных примера 3.1 модули удельных сопротивлений рельсовых нитей при температуре окружающей среды –22 °С равны ZP1 = 0,968 Ом/км и ZP2 = 1,210 Ом/км° удельное сопротивлеj 90 ° , = 35 < . Коэффициент асиммеZeДТГ частоте 175 Гц составляет Ом. "Z трии тягового тока под катушками АЛС на входном конце РЦ при lАЛС = 1,2 км и İT1>İ T2:

121

Р ис. 3. 3.7 7. Изменени Изменен и е коэ коэффи ффиц ц ие иен н та а си сим м ме метт ри рии и тя тягг ов овог ого о т ок ока а под к ат атуу ш к ам ами и А ЛС пр при и д ви виже жени нии и по пое е зд зда а

меньше предельно допускаемого значения только при приближении поезда к выходному концу РЦ на расстояние меньше 0,25 км. Обеспечить работоспособность РЦ и АЛС в таких условиях можно только уменьшением уровня помех частотой 175 Гц в рельсовых линиях за счет подавления тока с этой частотой в месте его образования, т.е. на локомотивах.

3.5. Анализ пр проце оцесса сса фор формирования мирования ас асимметрии имметрии тягового тяго вого тока в рельс рельсово овой й линии Рассмотрим случай, когда в рассматриваемый момент времени t тяговый ток в первой рельсовой нити Tİ1 больше тягового тока во второй рельсовой нити Tİ 2, т.е. соотношение сопротивлений рельсовых нитей ZРН РН2 2 >Z РН РН1 1, а соотношение сопротивлений переходов в элементах рельсовых нитейП2r>r П1 . Тогда выражения для вычисления удельных сопротивлений рельсовых нитей с учетом формул (3.16) и (3.17) можно записать в следующем виде:

zz = РН11

0 РН ()

+ Пrt

()

+

1 − kА I z ; 1 + kА I М

(3.30) 123 12 3

zz РН22 =

0 РН ()

+ rt П

()

+

1+ kА I z ,, 1 − kА I М

(3.31)

где ZPH (0) — удельное расчетное сопротивление рельсовой нити в начальный момент времени, включающее в себя удельные сопротивления всех ее элементов, в том числе и сопротивления указанных переходов сразу после проведения капитального ремонта пути; rП (t) — растущее по мере увеличения продолжительности эксплуатации удельное суммарное активное сопротивление переходов в стыковых приварных и штепсельных соединителях, в переходах дроссельных перемычек, а также в переходах «рельсы–накладки». Выражение для вычисления коэффициента асимметрии сопротивлений рельсовых нитей в рассматриваемый момент времени с учетом формул (3.30) и (3.31):

kAZ

zz − = РН 21 zz РН 21+

РН РН

=

rrП 21− 20 zrРН () +

П2

П

kz + 41 А II М

21М + ++ +rz П1

−1

() − k () + kk ()1− 2 А

22 A II

−1

. (3.32)

А

Из формулы (3.32) видно, что процесс формирования асимметрии тягового тока в рельсовых линиях обладает своеобразной положительной обратной связью, что вызвано действием взаимной индуктивности рельсовых нитей. Действительно, асимметрия сопротивлений рельсовых нитей AkZ вызывает появление асимметрии тягового тока kAI . Но величина асимметрии тягового тока влияет в свою очередь на величину асимметрии сопротивления рельсовых нитей. Процесс формирования асимметрии тягового тока в рельсовой линии можно представить в виде системы с положительной обратной связью, схема которой показана на рис. 3.8 [48]. Коэффициент передачи у этого процессаIZk по каналу «коэффициент асимметрии сопротивлений рельсовых нитей—коэффициент асимметрии тягового тока» можно найти по формуле:

k kIZ == A I kA Z

kПР 1− kk ! ОС

,

(3.33)

ПР

где kПР = k AI /(k AZ = k AМ) — коэффициент передачи в прямом канале; k ОС = kAМ /k AI — коэффициент обратной связи. 124 12 4

Проведенные исследования показали, что в рельсовой линии с рельсами типа Р65 при токе частотой 50 Гц коэффициент обратной связи в системе мало зависит от электрических параметров рельсовых нитей и среднее его значение равноОСk = 1,96. Коэффициент передачи в прямом канале ПР k является функцией сопротивления рельсов. Величина этого коэффициента изменяется в диапазоне от 0,423 до 0,357 при изменении удельного сопротивления рельсов в диапазоне от 0,3 до 0,6 Ом/км. При отсутствии утечки тяговых токов из рельсов в землю тяговые токи распределяются по рельсовым нитям РЦ обратно пропорционально их сопротивлениям. Асимметрия тягового тока под катушками АЛС вызывается разницей тяговых токов, утекающих вперед от головного электровоза поезда, поэтому значения этих токов обрат-

Р ис ис..3.8. Моде Модель ль п роц роцес ессс а ф орм орми и ро ров в а н и я а си сим м ме метт ри рии и т я г ов овог ого о тока в ре рельсо льсо вой линии

но пропорциональны величинам входных для них сопротивлений лежащих впереди отрезков рельсовых нитей. Следовательно, коэффициент асимметрии сопротивлений рельсовых нитей в обоих рассматриваемых случаях в определенный момент времени рассчитывается по формулеAZk = |(ZPH PH1 1–Z PH PH2 2)/ (ZPH PH1 1+Z PH PH2 2)|. Тяговые токи в рельсовых нитях обратно пропорциональны их сопротивлениям, поэтому для расчета коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовой линии AIk можно использовать формулу (3.32). Уравнение для вычисления коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовой линии в требуемый момент времени для рассматриваемых случаев: 125 12 5

3 ak 3 AA II + ak 2

== 22zz − где aa 31 M a2 = a0 = r П2 – r П1 .

PH

2

− ak 10 A I − a = 0 ,

()0 −−Пrr21

П

(3.34)

;

Представляется интересным анализ вклада взаимной индуктивности рельсовых нитей в величину асимметрии тягового тока. На рис. 3.9 показаны графики зависимости отношения асимметрии тягового тока в рельсовой линии AIk к величине продольной асимметрии сопротивлений рельсовых нитей в нейAZk от величины модуля их расчетного удельного сопротивленияPHZ. Процесс формирования асимметрии тягового тока в рельсовой линии обладает обратной связью (см. рис. 3.8). Поэтому исследования проводились при разных значениях коэффициента асимметрии тягового токаAIk. Из графиков на рис. 3.9 видно, что за счет действия внешней индуктивности рельсов асимметрия тягового тока в рельсовых линиях может возрастать в 2,5 раза. С ростом удельного сопротивления рельсовых нитей и с увеличением коэффициента асимметрии тягового тока влияние взаимной индуктивности рельсовых нитей на величину асимметрии тягового тока ослабляется. Первое определяется тем, что с ростом удельного электрического сопротивления эксплуатируемых рельсовых нитейPH Z(0) растет его численное значение в знаменателе формулы (3.32) при неизменном численном значения соотношении (Пr 2–r П1 )/( )/(rr П2 +r П1 ). Второе вызвано тем, что с ростом коэффициента асимметрии тягового тока kAI уменьшается в определенной степени действие положительной обратной связи. Первопричиной возникновения асимметрии тягового тока в рельсовой линии является появление продольной и/или поперечной асимметрии сопротивлений рельсовых нитей. Действие взаимной индуктивности рельсов усиливает этот процесс и при наличии только продольной асимметрии сопротивления рельсовой линии может привести к увеличению коэффициента асимметрии тягового тока в 1,2–2,5 раза в зависимости от величины текущего значения сопротивлений рельсовых нитей. При исследовании распределения асимметрии тягового тока по длине РЦ следует учитывать, что если есть утечка тяговых токов из 126 12 6

k AI / k AP

2,5

2,0 k AI = 0,05 0,20 0,2 0

1,5

1,0

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Z PH , Oм Oм//к м

Р ис. 3. 3.9 9. З ав ависи исимос мостт ь с те тепен пени и дейс дейстт ви вия я в неш нешней ней и н д у к т и вно вносс т и ре рел л ь сов на ас асимм имметр етрию ию тяго ягово вого го тока от ве величины личины уде дельн льно ого сопротивл ения рельсо ре льсо вых ните й

рельсов в землю, то коэффициент асимметрии тягового тока изменяется по длине рельсовой линии. Поэтому вычисление в таких условиях коэффициента асимметрии тягового тока под катушками АЛС и на выходном для этого тока конце рельсовой линии в месте установки аппаратуры РЦ представляет более сложную задачу.

3.6. 3. 6. Динами Дина мика ка асим асиммет метрии рии перемен переменного ного тя тяговог гового о ток тока а в ре рел л ьсо ьсовы вых х л ин ини и я х на д ву вухх п у т ны ныхх п ере ерего гона нахх Рельсовые нити как однопроводные электрические линии для тягового тока обладают взаимной индуктивностью с другими рельсовыми нитями, а также с контактными проводами и проводами линий электроснабжения, расположенными на опорах контактной 127 12 7

сети (см. рис 3.3). Учет всех этих влияний заметно усложняет анализ процесса формирования асимметрии тягового тока в рельсовых линиях [49]. Проведем исследование этого процесса на двухпутном перегоне. При сухом или промерзшем балласте утечкой тягового тока из рельсов в землю можно пренебречь. Следовательно, токи по длине 8и8 не меняются, и можно учитывать II,12, , ,IIII рельсовых нитей II12 3434 только продольную асимметрию сопротивлений рельсовых нитей в рельсовых линиях. Тогда в РЦ, ограниченных изолирующими стыками с ДТ, при учете того, что Z M12 = ZM21; ZM1К1 = ZM2К1 , уравнение для расчета распределения падения напряжения по элементам рельсовых нитей соответственно РН РН1 1 и РН РН2 2 можно записать в следующем виде:

Uz& =+() rl ! 1 Uz rlПС! 1 & =+() P PЦ

() ()

() ()

, ZZ ++05 05 , ZZ &" ++ PЦ ДТ &"

++( RR ++( RR ДП 11 ПН 11

) 1Ix + ) 1Ix + 1 1

ПК

(3.35)

Iz21 М 23++Iz М 13 Iz41М 41++Iz Iz 21 К 21 +ВЛIz М В lPЦ& ; + Iz К М К11 К М I&z21=+() Izrl ! 13 Iz++05 Iz 11 22Iz++ + Iz ,++ ) Il x& ;+ Uz ZZ 23++ 41 21( RR 21+ Iz 1 22 &"41 05 , ZZ ) Ix + Uz =+() P rlПС! 22 PЦ ++( RR &" ++ PЦ& ДТ ДП22 ПН ПК 1

() ()

+ Iz11 М 23++Iz + Iz11 23++Iz

() ()

М 23

23

Iz42М Iz42

(3.36)

++Iz К М Iz 41++ 41

К1K 1

1K 1

Iz2М К Iz2

22 22

+ВЛIzМ + Iz

В2

2

l РЦ&, l &,

где ZP — удельное сопротивление сплошных рельсов, рельсовых стыковых соединителей; rПС ПС1 1 ; rПС ПС2 2 — удельные сопротивления переходов между проводами и манжетами (наконечниками), а также между манжетами и рельсами в рельсовых стыковых соединителях в РН РН1 1 и РН РН2; 2; ZДТ — сопротивление секций основных обмоток ДТ для тягового тока; ZДП ДП1 1 ; ZДП ДП2 2 — сопротивления дроссельных перемычек в рельсовых нитях РН РН1 1 и РН РН2; 2; RПН ПН1 1 ; RПК ПК1 1 ; RПН ПН2 2 ; RПК ПК2 2 — сопротивления переходов между проводами и штепселями, штепселями и рельсами в дроссельных перемычках соответственно в начале и в конце рельсовых нитей РН РН1 1 и РН РН2; 2; 128 12 8

ZМ12; ZМ13; ZМ14 — удельные сопротивления взаимной индуктивности рельсовых нитей РН РН1 1 с РН РН2, 2, РН РН3 3 и РН РН4; 4; ZМ21; ZМ23; ZМ24 — удельные сопротивления взаимной индуктивности рельсовых нитей РН РН2 2 с РН РН1, 1, РН РН3 3 и РН РН4; 4; удельные сопротивления взаимной индуктивности рельсовых нитей РН РН1 1 и РН РН2: 2: ZМ1К1 ; ZМ2К1 — с контактным проводом К1; ZМ1К2 ; ZМ2К2 — с контактным проводом К2; ZМ1В ; ZМ2В — с проводами ЛЭП. Сопротивление рельсовой нити РН РН1 1 для тягового тока можно с учетом (3.35) и (3.36) вычислить по формуле: U & 05 , ZZ Z 1 == zl &" ++ ++ rl! 1 & RR1 + 1 + UIPЦ& ++ 05 , ZZ + ZPЦ1 == 1 zlP PЦ RR ДТ ДП ++ rl &" ! 1 РЦ & ПС ПН 1 + ПК 1 I1 (3.37) I2 I3 I4 IК 1 IК 2 IВЛ ++ I zМ 12 I zМ 13 ++I zМ 14 I zМ11К + I zМ12К + I zlМ 1В РЦ& ,; ; ++ I 21 z 12 I13 z 13 ++I 14 z 14 I 11 z 11 + I 112 z 12 + I zl 1 & I1 I1 I1 I1 I 11 I а сопротивление РН РН2 2 — по формуле: U & (,zl &" ++ 05 ZZ )(++ rl! 2 & RR2 + 2 ) + Z 2 ==U PЦ & I 2 (,zlP PЦ&"++05 ZZ )( rl! 2 PЦ )+ ZPН2 == RR & ДТ ДП ++ ПС ПН 2 + ПК 2 I2 (3.38) I I I I I I ВЛ zlМ 2В PЦ&. ++ 1 zМ 12 I3 zМ 23 ++ 4 zМ 24 К 1 zМ11К + К 2 zМ 22 + К I I21 I I I I I I I I I 3 4 1 2 z 11 + 22 z 22 + zl 2 ++ z 12 2 z 23 ++22z 24 &. I2 I2 I 22 I I 22 I Рассмотрим случай, когда тяговый ток больше в первой рельсовой линии, т.е. II12> . Тогда коэффициент асимметрии тягового I . При отсутствии утечек на землю тока в ней kIА II = 12− II 12+ тяговые токи в РН обратно пропорциональны их сопротивлениям. Коэффициент асимметрии тягового тока является безразмерной величиной, поэтому использование для его вычисления значений сопротивлений РН в рассматриваемом случае не приводит к какимлибо погрешностям. При использовании формул (3.37) и (3.38) выражение для вычисления числителя формулы (1.13) принимает вид:

() ()

() ()

()

()

129 12 9

ZZ 21 − = ()rr! 2 − ! 1 lR& + () 2 − RR12 +() −R 1 + ZZ 21 − = ()rr! 2 − ! 1 lR& + () 2 − RR12 +() −R 1 + ZZ 21 − = ()rr! 2 − ! 1 lR& + () 2 − RR12 +() −R 1 + ZZ − RR I− I = ()rr! 2 − I 3! 1 lR I 4 +()ПК I 4−ПКR 1 + & + I() РЦ ПН 12 3 ПН 2 z z +PН 21I 1 −PНI 2 z ПС12 + ПС − + 23 13 II 3 II 3 II 4 z 24 − II 4 z 14 + 1 2 I I + I 2 − I 1 z 12 + I 2 z 23 − I 1 z 13 + I 2 z 24 − I 1 z 14 + + I 12 − I 21 zМ12 + II 32 zМ 23 − II 31 zМ 13 + I 42 zМ 24 − I 41 zМ 14 + I 12 I 12 I I z 12 + I 32 z 23 − I 31 z 13 + 42 z 24 − 41 z 14 + + − I I 2 I 1 I 11 I I 2 I II z 11 + I 12 z 22 − I 22 z 12 +1 + I −I (3.39) 11 2 2 I I I I zМ 11К + I 21 zМ 22 + I 21 − I − I zМ К12 + К 11 2 I I I z 11 + 21 z 22 − I 2 z 12 + + I 21 − I I I + I 2111− I z 11 + I 212 z 22 − I 2 z 12 + I 21 I I I II 21 + I zМ 21В − I zМ В lРЦ& . l &. + I I21 z 21 − II z I I 21 z . & ()(1.13) справедливо )(21 + ZZ += Для()22 zl ++ZZ+ Iзнаменателя lRl++ R ++−rrII z вычисления формулы выраI 21 . z z l + − 22 )( ++ () + ZZ +=жение: zl ZZ rr lR R 21 & ++ ++ () + ZZ += ZZ I 21 )(++ rr I lR ++() R ()22zl ++22 ZZ RПН ДП )(I++rr () zlP PЦ РЦ ++() ПН PН += PН ПС2 2 lR ПС1 ПС 1 IПС ПН1 1 ПН2 2 + I 1 ++ZZ I ДТ 2 3 3 ++ ++ I + ()()RR II 2 z ++ II 3 z II3 z 1 I ++()RR ++ I2 I 1 z ++ I 2 z + II13 z 1 2 3 I I I 1 2 z ++ ()()RR ПК1 ПК 1 ПК2 ПК 2 ++ 2 М23 I 1 zМ13 I+ Iz1М12 I++ 2 I 3 I I 2 1 2 z ++ I31z z ++()RR ++ + 21 21

21

21

I2 I I 1 I I2 I1 I I4 1 1 z z ++ I4 z ++ + 11 I I I ++ II24 zМ24 II412zМ14 ++ IIК1 IКI11 zМ11К + (3.40) 4 I 12 I 1 I 11 z z ++ I 24 z ++ + 11 I4 I I2 ++ I I412z I1 I 1 I 1 z 11 + z ++ I 12 I 2 IК 2 I 2 I ВЛ IIВЛ I 1 . z z z zlМ В ++ I М 22К + I М 21 К В + I РЦ II 2 М12 2 I I I . ++ I 21 z 22 I z 12 + I 2 z 21 + I 1 zl 2 2 I I I I . z 12 I + 2 z 21 I+ 1 zl I ++ 21 z 22 I 2 I 2 I I I Из 21формулы видно, асимметрии . 1 z (3.39) z 122 что z 21 + значение zl ++ + абсолютное 22 I I I I 21 рельсовых нитей в рельсовой 2 1 сопротивлений линии определяется разностью сопротивлений переходовПС r , RПН и RПК в ее рельсовых нитях, разностью сопротивлений взаимной индуктивности этих нитей с другими однопроводными электрическими линиями и соотношением токов в соответствующих однопроводных электрических линиях. Процессы старения и повреждения приводят к росту сопротивлений переходов ПС r 1; rПС ПС1 ПС2 2 ; RПК ПК1 1 ; RПН ПН2 2 ; RПК ПК2 2 , причем темп роста этих сопротивлений неодинаков в разных рельсовых нитях. Соотношения 130 13 0

токов в рассматриваемых однопроводных электрических линиях изменяются как при отсутствии подвижного состава на РЦ, так и при занятии их подвижным составом. Величины сопротивлений, включенных в первую скобку в формуле (3.40), также изменяются во времени. Величина удельного сопротивления сплошных рельсов с включенными в него сопротивлениями рельсовых стыковых соединителейПСr, а также величины сопротивлений стальных перемычек ДП Z зависят от температуры окружающей среды и величины тягового тока, протекающего по рельсовой нити. Сопротивление медных дроссельных перемычек ДПZ меняется при изменении температуры окружающей среды. Сопротивление секций основных обмоток для тягового тока Z ДT меняется от подДT магничивания сердечников ДТ при появлении асимметрии тягового тока. В результате при том же абсолютном значении тягового тока в рельсовой линии коэффициент этой асимметрии может принимать разные значения. Скорость изменения температуры окружающей среды относительно невысока. Величина тягового тока и его гармонический состав в рельсовых линиях могут меняться быстро при изменении режимов ведения поездов, находящихся в зоне между тяговыми подстанциями, и при появлении помех от внешних источников. Например, модуль удельного электрического сопротивления рельсовой нити при изменении температуры рельсов в диапазоне от –40 до +40 °С и величины переменного тягового тока до 400 А модуль удельного электрического сопротивления рельсовой нити с рельсами типа Р65 изменяется в 2,87 раз в диапазоне от 0,29 до 0,89 Ом/км (см. рис. 2.3). Уменьшение удельного электрического сопротивления сплошных рельсов в рельсовой нити при неизменных различиях величин сопротивлений переходов в ней между деталями стыковых рельсовых соединителей ПС r и дроссельных перемычек ПR приводит к увеличению коэффициента асимметрии тягового тока в ней. В таких случаях численное значение числителя, определяемого по формуле (3.39), остается неизменным при уменьшении величины знаменателя, вычисляемого по формуле (3.40). Графики, представленные на рис. 3.10, показывают, как меняется при изменении температуры рельсов T коэффициент асимметрии 131

продольных сопротивлений рельсовых нитейAZk(T) с рельсами типа Р65 на частоте первой гармоники переменного тягового тока, равной 50 Гц. За базу для сравнения взята величина коэффициента этой асимметрии kAZ (20) при температуре рельсов +20 °С. Характер изменения этих кривых показывает, насколько влияет стабилизирующий эффект сопротивлений основных обмоток ДТ на степень изменения асимметрии продольных сопротивлений рельсовых нитей от температуры рельсов. При понижении температуры рельсов от +20 до –40 °С коэффициент асимметрии продольных сопротивлений рельсовых нитей в рельсовых линиях с бесстыковыми РЦ увеличивается на треть. В РЦ с двумя ДТ в режиме АЛС в момент, когда поезд вступает на нее (в рельсовых нитях остается только один ДТ), этот коэффициент увеличивается в 1,12 раз по сравнению с его изменением при работе РЦ в нормальном режиме. Этим объясняется увеличение интенсивности сбоев в работе РЦ и АЛС при уменьшении температуры в условиях, когда вес, интенсивность и скорости движения поездов на участке существенно не меняются. Это также является причиной того, что при уменьшении тягового тока в рельсовой линии и неизменных других условиях коэффициент его асимметрии растет. Продольные и поперечные сопротивления рельсовых нитей изменяются и во времени, и по длине рельсовой линии случайным образом. В результате этого и асимметрия сопротивлений рельсовых нитей, и асимметрия тягового тока и под приемными локомотивными катушками АЛС, и в местах подключения к рельсам аппаратуры РЦ изменяются также стохастически. При движении поезда сопротивление отрезка рельсовой линии от первой колесной пары до конца РЦ, ограниченной изолирующими стыками с ДТ, может изменяться также случайным образом, что вызывает стохастические изменения асимметрии тягового тока под локомотивными приемными катушками АЛС. Иллюстрацией этих положений могут служить результаты анализа построенных по результатам обработки измерений в условиях эксплуатации графиков, приведенных на рис. 3.11. Измерения проводились в летнее время на одном из перегонов Транссибирской магистрали при приближении поезда к месту измерений с интерва132 13 2

Р ис. ис.3. 3.1 10. З а виси висимо мосс т ь о т но носи ситт ел ель ь ног ного о зн значен ачени и я коэ коэфф ффи и ц иен иентт а п род родол оль ь ной ас аси и м ме метт ри рии и р ел ель ь с овы овыхх ни нитей тей о т т ем емп п ера ератт у ры ре рел л ь сов: 1 – д л я бесс ст бе сты ы к овы овыхх РЦ; 2 – д л я РЦ с Д Т в р еж ежи и м е А ЛС; 3 – д л я РЦ, ог огра ран н и чен ченн ны х изолир из олир у ющими стыка ми с ДТ

лом времени в одну минуту между измерениями на приемном конце РЦ, оборудованной ДТ с изолирующими стыками. На рис. 3.11 а показан характер изменения во времени величины переменного тягового тока İT в рельсовой линии, а на рис. 3.11 б — графики изменения на этом отрезке времени абсолютного значения асимметрии тягового тока ΔTİ и коэффициента его асимметрии AK, выраженного в процентах. Штриховыми линиями отмечены границы допуска для принятой величины коэффициента асимметрии тягового тока, равной 4 %, чему соответствует абсолютное значение асимметрии тягового тока 12 А при токе в рельсовой линии 300 А. На первых минутах от начала проведения измерений ток в рельсах в точке измерения был мал, т.к. основная часть тягового тока 133 13 3

а

б

Рисс. 3.11. Из Ри Изм менения величины а и ас асимметр имметр ии б тя тягг овог ового о ток тока а в ре рел л ь са сахх п ри п ри рибл бли и же жени нии и по поез езд д а к мес местт у и змерен змер ени ия

электровоза утекала из рельсов в землю, не доходя до этой точки. На последней минуте тяговые двигатели электровоза были выключены. Из графиков видно, что при малых значениях тягового тока в рельсах Tİ и небольших величинах абсолютного значения асимметрии тягового тока ΔİT коэффициент асимметрии этого тока K A был 13 4

запредельным, в то время как абсолютное значение асимметрии тягового тока ΔİT находилось при этом в поле допуска. Увеличение тягового тока в рельсах и соответствующее увеличение их сопротивлений приводило к сближению численных значений коэффициента асимметрии и абсолютного значения асимметрии тягового тока, используемых для оценки состояния сопротивлений рельсовых нитей в рельсовой линии. Следовательно, абсолютное значение асимметрии переменного тягового тока в рельсах является более адекватной мерой для оценки степени его влияния на устойчивость работы РЦ и АЛС.

3.7 3. 7. Вли Влиян яние ие продол продольной ьной неравномерност и магн маг н ит итног ного о поля ре рель льсов сов Дополнительные помехи в приемных локомотивных катушках АЛС появляются при движении поезда по уложенным новым рельсам, обладающим неравномерной продольной намагниченностью. Эта проблема появляется на участках с электротягой переменного тока, оборудованных системой АЛС с частотой сигнального тока 25 Гц, при проведении капитального ремонта пути с укладкой новых рельсов. На участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе, где используется АЛС частотой 50 Гц, этой проблемы нет. Помехи на АЛС создаются также магнитными полями концов рельсов, приготовленных к укладке или смененных и уложенных внутри колеи или по краям шпал с нарушением существующих требований к их укладке [41]. При строгом выполнении требований к размещению рельсов, подготовленных к укладке в путь или смененных, они не должны создавать дополнительные помехи на АЛС. Однако эти требования выполняются не всегда. После укладки в путь новых рельсов, имеющих неравномерную намагниченность по их длине, под действием переменных тяговых токов, протекающих по рельсам, в течение первых нескольких недель происходит размагничивание средней части рельсов. В результате влияние вновь уложенных рельсов на устойчивость работы АЛС минимизируется. Но за время естественного размагничивания рельсов интенсивность сбоев АЛС держится на недопустимом уровне. 135 13 5

Наиболее эффективным средством уменьшения влияния на устойчивость работы АЛС неравномерной по длине напряженности магнитного поля новых рельсов считается их размагничивание перед укладкой или после укладки в путь с использованием стационарных или мобильных размагничивающих установок. Однако этот процесс трудоемок и достаточно дорог. Локомотивные приемные катушки АЛС включаются встречно, поэтому одинаковые по амплитуде и полярности импульсы помех, возникающие одновременно, на вход локомотивного фильтра не проходят. Поэтому при симметричном расположении в рельсовых нитях выбросов напряженности магнитного поля новых рельсов, уложенных в путь, или напряженности магнитного поля концов смененных или подготовленных к укладке рельсов количество сбоев АЛС не увеличивается. Напряженность магнитного поля на концах рельсов может существенно различаться. Поэтому даже при симметричном расположении приготовленных к укладке или смененных рельсов, но не скрепленных накладками, в локомотивных катушках наводятся разные по величине ЭДС помех. В результате на входе фильтра АЛС появляется помеха от магнитного поля рельсов с амплитудой, равной разности амплитуд ЭДС помех в приемных локомотивных катушках. Частота ЭДС помех, наводимых выбросами напряженности магнитного поля рельсов в приемной локомотивной катушке АЛС, определяется длиной отрезка рельса с одним периодом изменения напряженности его магнитного поля и скоростью движения поезда над этим отрезком. Амплитуда ЭДС помех в катушках АЛС от магнитного поля рельсов растет с увеличением темпа изменения магнитного поля рельсов по их длине и с ростом скорости движения поезда, а также при уменьшении высоты подвески приемных локомотивных катушек. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея ЭДС помех от неравномерной намагниченности рельсов на локомотивной катушке движущегося электровоза при неизменных значениях площади поперечного сечения S и магнитной проницаемости µ ее сердечника: 136 13 6

dФР

() BP dS dS HP () µ0µSH =− =− = dt dt dt dHP dl ∆H dH P =– , = –− µ 0µS S SV ⋅ − µ 0µSV dl ∆H dt dl ∆H e= −

(3.41)

где ФР; ВР и НР — магнитный поток, индукция и напряженность от магнитного поля рельса в сердечнике катушки АЛСН; µ0 — относительная магнитная проницаемость; µ = 4π10–7 Гн/м — магнитная постоянная в системе СИ; lΔH — длина отрезка рельса с одним периодом изменения напряженности магнитного поля; V — скорость поезда. Таким образом, уровень помехи от неравномерной намагниченности рельсов по их длине прямо пропорционален величине изменения напряженности магнитного поля рельса и скорости движения поезда. Этот уровень обратно пропорционален длине локального участка рельса с повышенной намагниченностью. На рис. 3.12 а приведена осциллограмма напряжения на приемной локомотивной катушке АЛС, а на рис. 3.12 б— гармонический состав этого напряжения при движении поезда со скоростью 80 км/ч по перегону со смененными рельсами. Для этого сигнала характерно то, что сигналы с частотами от 2 до 6 Гц превышают уровень полезного сигнала с частотой 25 Гц. На рис. 3.13 приведены результаты обработки экспериментальных данных, записанных многоканальным цифровым осциллографом, полученных при движении поездов с разной скоростью по одному и тому же участку с повышенной намагниченностью новых рельсов на главном ходу Красноярской железной дороги. Анализировались сигналы на выходе одной из приемных локомотивных катушек АЛС. Помехи с частотой выше 40 Гц отфильтровывались. Область частот с полосой пропускания локомотивного фильтра АЛС заштрихована. На рис. 3.13 видно, что при движении электровоза по новым рельсам с повышенной намагниченностью уже при скорости поезда 40 км/ч появляются помехи с частотой, соответствующей нижней границе полосы пропускания локомотивного фильтра. Увеличение скорости движения поезда приводит к росту частоты сигналов 137 13 7

U, B

0,8 0,6 0,4 0,2 0 – 0,2 – 0,4 – 0,6

а

– 0,8 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2 1, 2

1,4

1,6 1, 6

1,8 1, 8

2

t, c

б Р ис. 3. 3.12. 12. Ф ор орма ма н а п ря ряжен жени и я и сп спек ектт р его ч а ст сто о т н а п рием риемной ной к ат атуу ш ке А ЛС 138 13 8

Р ис. 3. 3.13. 13. Вли Вл и я н ие ско скоро росс т и по поез езд д а на ч ас астт о т у си сигг н а лов помех в к ат атуу ш к а х А ЛС о т р е л ьс ьсов ов с не нера равн вномер омерной ной на нам м а г н и чен ченнос ностт ью

помех от неравномерно намагниченных рельсов. В результате все большая часть спектра сигналов этих помех попадает в полосу пропускания локомотивного фильтра АЛС и беспрепятственно проходит на его выход. Увеличение скорости поезда с 60 до 80 км/ч приводило росту амплитуды гармоник сигнала помехи в инфразвуковом диапазоне. Спектр частот сигнала помехи сдвигался при этом ближе к сигнальной частоте 25 Гц, а соотношение «сигнал : помеха» уменьшалось. У смененных рельсов повышенная напряженность магнитного поля наблюдается только на их краях, причем величина этой напряженности может превышать 500 А/см. Если уложенные с нарушением существующих требований смененные рельсы вовремя не убираются, то магнитные поля на их концах наводят дополнительные импульсы помех в катушках АЛС, частота следования которых зависит от расстояния между концами рельсов и скорости движения поезда. На графиках рис. 3.14 показана зависимость от скорости поезда количества импульсов помех, создаваемых концами рельсов, за длительность периодов следования кодовых комбинаций, вырабатывае139 13 9

мых трансмиттерами типов КПТШКПТШ-515, 515, КПТШКПТШ-815 815 и КПТШКПТШ-715, 715, КПТШ-915. КПТШ915. Количество импульсов найдено для наиболее вероятных расстояний между концами рельсов. Периодичность кодовых комбинаций тока АЛС, вырабатываемых трансмиттерами, у КПТШКПТШ-515 515 и КПТШКПТШ-815 815 составляет 1,60 с, а у КПТШКПТШ-715 715 и КПТШКПТШ-915 915 — 1,86 с. При скорости поезда 56 км/ч импульсы помех от магнитного поля по концам рельсов будут следовать через 1,6 с. Попадание таких импульсов в короткие интервалы между импульсами кодовых сигналов заметно увеличивает вероятность сбоя АЛС при использовании трансмиттеров типа КПТШКПТШ-515 515 или КПТШКПТШ-815. 815. В случаях, когда используются трансмиттеры типов КПТШКПТШ-7 7 или КПТШКПТШ-9, 9, такая ситуация создается при скорости, близкой к 48 км/ч. Если внутри колеи или на концах шпал уложены новые или сменные рельсы с разрывами между их концами 5,0 и 7,0 м, то помехи с частотою по одному импульсу за кодовый цикл длиной 1,6 с появляется при скоростях движения поезда соответственно 11,2 и 15,8 км/ч. При увеличении скорости движения поезда рас-

Р ис. 3. 3.1 14. В л и я н ие скор скорос остт и по поез езд д а на ко коли личе чест ств в о и м п у ль льсс ов помех о т рел ре л ьс ьсов ов с не нера равном вномерной ерной н а ма магг н и чен ченно носс т ью з а перио период д кода А ЛСН д л я КП ТШШ-5 515; КПТШШ-815, 815, К ПТШШ-715; 715; КПТШШ-9 915 140 14 0

тет и частота импульсов. По пять импульсов за такой кодовый цикл создаются при скорости движения поездов соответственно 56,2 и 79,0 км/ч. Рост частоты появления импульсов помех приводит к увеличению вероятности искажений подряд нескольких кодовых сигналов АЛС, отчего растет и вероятность сбоя. Поскольку наиболее вероятный верхний предел частот помех от неравномерной намагниченности новых рельсов не превышает 40 Герц, кардинальным решением рассматриваемой проблемы является переход на участках с электротягой переменного тока на сигнальную частоту АЛС, равную 75 Гц [41].

3.8. Ци Цикк ли лич ч ност ность ь изменени изменения я элект электрома ромагн гнит итной ной обст обстановк ановки и д ля ре рель льсовы совыхх цепей и А ЛС Устойчивость работы аппаратуры РЦ и АЛС определяется электромагнитной обстановкой (ЭМО), которая наиболее сложна на электрифицированных участках железных дорог. Зависит ЭМО от действия ряда факторов и может существенно изменяться во времени. Относительно медленно ЭМО меняется по мере роста времени эксплуатации верхнего строения пути после проведения капитального ремонта, а также в зависимости от времени года. Быстро меняться ЭМО может при возникновении отказов в токопроводящих и изолирующих элементах рельсовых линий, при изменении поездной обстановки на участке пути. Знание причин изменения интенсивности сбоев в работе РЦ и/или АЛС обеспечивает возможность минимизации этой интенсивности. Как показано выше, первоисточником возникновения асимметрии тягового тока в рельсовой линии является продольная и/или поперечная асимметрия электрических сопротивлений рельсовых нитей в рельсовой линии. Продольная асимметрия появляется, главным образом, при несимметричном увеличении в рельсовых нитях электрического сопротивления в переходах между рельсовыми звеньями — в токопроводящих стыках и/или в цепях подключения к рельсам ДТ, а также при несимметричном уменьшении сопротивления изолирующих стыков. 141

Основные причины появления поперечной асимметрии — ухудшение состояния или пробой искровых промежутков в подключаемых к рельсам цепях заземления опор контактной сети и других конструкций, а также несимметричное ухудшение состояния электроизолирующих элементов по краям железобетонных шпал. Рассмотрим неразветвленную РЦ с рельсовыми звеньями длиной 25 м, ограниченную изолирующими стыками с ДТ. Формулу для вычисления величины сопротивления переменному току первой рельсовой нити на многопутном перегоне или на станции при неизменной величине переменного тягового тока по длине рельсов можно представить в следующем виде:

(3.42)

где lРЦ РЦ — длина рельсовой цепи, км; ZP — удельное сопротивление сплошных рельсов на определенной частоте гармоники тягового тока, Ом/км; ZH; ZCC — сопротивления соответственно накладок и проводов рельсовых стыковых соединителей на этой частоте, Ом; ZДП — сопротивления тросов у дроссельных перемычек на этой частоте, Ом; ZДТ — сопротивление основной обмотки ДТ на частоте рассматриваемой гармоники тягового тока, Ом; R1ПН i ; R1ПCCi — переходные сопротивления соответственно в накладках и в рельсовых стыковых соединителях на i-м стыке рельсовых звеньев у первой рельсовой нити, Ом; 142 14 2

R1ИС — сопротивления изолирующих стыков в первой рельсовой нити, Ом; R1ПДП k; R1ИС — переходные сопротивления соответственно в k-х дроссельных перемычках и в k-х изолирующих стыках у первой рельсовой нити, Ом; Z M12; ZM21 — удельные сопротивления взаимной индуктивности между первой и второй рельсовыми нитями рассматриваемой рельсовой линии (ZM12 = Z M21 ); Z M1l; ZM1Km ; ZM1Bn — удельные сопротивления взаимной индуктивности между первой рельсовой нитью рассматриваемой рельсовой линии и, соответственно, l-ой рельсовой нитью других смежных путей, m-ым контактным проводом и проводами n-ой высоковольтной линии электроснабжения; q — количество смежных путей; v — количество влияющих высоковольтных линий электроснабже электроснабже-ния; İ 1, İ 2; İ l — тяговые токи соответственно в первой, второй и l-ой рельсовых нитях, А; İ Кm — тяговые токи в m-х контактных проводах; İ Bm — токи в n-ой высоковольтной линии электроснабжения. Формула для вычисления величины сопротивления переменному току второй рельсовой нити этой рельсовой линии имеет подобный вид:

(3.43)

.

143 14 3

Практически остаются постоянными при неизменных величи нах температуры окружающей среды и тягового тока в рельсах для определенной гармоники тягового тока электрические сопротив ления сплошных рельсов PZ и основных обмоток дроссель-транс форматоров ZДТ . Не меняются также электрические сопротивле ния накладок ZH , проводов стыковых рельсовых штепсельных и приварных соединителей Z CC, а также тросов дроссельных пере CC мычек ZДП . Следовательно, сумма этих сопротивлений, сгруппированных в первые скобки в формулах (3.42) и (3.43), составляет неизменную часть сопротивления рельсовой нити, которая у всех рельсовых линий при одинаковой температуре рельсов одного типа и равных токах для определенной гармоники тягового тока в них одинакова. Поэтому эти сопротивления можно не нумеровать по принадлежности к определенной рельсовой нити, а при вычислении числителя в формуле (3.32) эти скобки для разных рельсовых нитей одной рельсовой линии взаимно вычитаются. Тогда:

(3.44)

Знаменатель формулы (3.32) можно найти из выражения: 144 14 4

(3.45)

Знаки ± между скобками в формулах (3.44) и (3.45) отражают неравномерность изменения по длине РЦ соответствующих переходных сопротивлений в токопроводящих стыках и сопротивлений изолирующих стыков. Величина взаимных индуктивностей каждой из рассматриваемых рельсовых нитей с другими рельсовыми нитями, с контактными проводами и с проводами высоковольтных линий электроснабжения зависит от расстояния между ними. Поэтому знак ± перед скобками, учитывающими разность в степени влияния различных взаимных индуктивностей на сопротивление рассматриваемой рельсовой нити, конкретизируется в зависимости от того, с какой стороны от рассматриваемой РЦ находится влияющая электрическая линия. В формулах для вычисления сопротивлений рельсовых нитей ZРН РН1 1 и ZРН РН2 2 присутствуют величины тяговых токов в первой 1İ и во второй İ2 рельсовых нитях рассматриваемой рельсовой линии. Наличием положительной обратной связи в процессе формирования асимметрии тягового тока в рельсовой линии вызвано появление последнего члена в формуле (3.44) и второго члена в первой строке формулы (3.45). Асимметрия тягового тока в рельсовой линии зарождается при появлении разностей электрических сопротивлений в ее рельсо 145 14 5

вых нитях, сгруппированных в первой квадратной скобке уравне ния (3.45). В процессе эксплуатации растут переходные сопротивления в стыках рельсовых звеньев, которые включают в себя электрические сопротивления переходов «рельсы—накладки»ПНR и перехо. дов между элементами в рельсовых стыковых соединителях ПССR Рельсы и накладки контактируют не по всей площади их соприкосновения, а только по площади соприкасающихся их выступов. Электрическое сопротивление этих контактов ПН RН зависит от П их площади, определяемой силой прижатия накладок к рельсам, и от чистоты контактирующих поверхностей. После капитального ремонта пути даже без стыковых рельсовых соединителей в течение трех—четырех месяцев сопротивления этих переходов обеспечивают соблюдение нормативной величины сопротивлений рельсовых нитей. Состояние изолирующих стыков не контролируется систе мами автоматического контроля и удаленного мониторинга. Несимметричное уменьшение их сопротивления ИС R в разных рельсовых нитях может заметно влиять на асимметрию тягового тока в рельсовых линиях. Во второй квадратной скобке уравнения (3.44) элементами в круг лых скобках учитывается влияние взаимных индуктивностей на асимметрию сопротивлений рельсовых нитей. Здесь необходимо иметь ввиду, что тяговые токи l İв рельсовых нитях, не принадлежащих рассматриваемой рельсовой линии, и тяговые токиKmİ в контактных проводах коррелируют. При анализе ЭМО необходимо учитывать также, что в зависимости от поездной обстановки в зоне между тяговыми подстанциями при мерзлом грунте или на участке железной дороги длиной несколько километров при талом грунте теснота этой корреляции может заметно меняться в зависимости от особенностей растекания тягового тока по тяговой рельсовой сети. Эта зависимость наиболее сильно проявляется при одновременном движении поездов по соседним путям. Расстояния между проводами продольной линии электроснабжения относительно невелики по сравнению с их расстояниями до рельсовых линий. Поэтому при анализе влияния взаимной индук146 14 6

тивности рельсовых нитей с проводами продольной линии электроснабжения можно использовать эквивалентный влияющий ток, равный сумме токов İBn во всех проводах этих линий. В знаменатель формулы (3.32), составляющие которого раскрыты в формуле (3.35), входят электрические сопротивления сплошных рельсов ZP, основных обмоток дроссель-трансформаторовДТZ, накладок ZН, а также проводов рельсовых стыковых соединителей ZСС и тросов дроссельных перемычекДП Z. Сумма данных сопротивлений меняется при изменении их температуры и величины переменного тягового тока в них, отчего меняется и численное значение знаменателя в формуле (3.32). Эти факторы мало влияют на величину переходных электрических сопротивлений, входящих формулу (3.44) и определяющих численное значение числителя в формуле (3.32). Поэтому даже при стабильном состоянии стыковых электропроводящих и изолирующих элементов изменения температуры рельсовых нитей и/или тягового тока в них вызывают изменение величины асимметрии тягового тока. Таким образом, например, при понижении температуры рельсов и уменьшении тягового тока в них уменьшается величина сопротивления сплошных рельсов в знаменателе формулы (3.4), отчего асимметрия тягового тока в рельсовой линии растет при неизменном состоянии токопроводящих и изолирующих элементов в ней. Это приводит к фиксируемым на железных дорогах увеличениям интенсивности сбоев АЛС при наступлении отрицательных температур окружающей среды и, следовательно, вызывает сезонные изменения асимметрии тягового тока. Этим объясняется также отсутствие заметного увеличения интенсивности сбоев АЛС в зоне подключения тяговой рельсовой сети к тяговым подстанциям, где величина тягового тока в рельсах повышена [49]. Рост тягового тока в рельсах может не привести к увеличению абсолютного значения его асимметрии, т.к. одновременно с этим ростом увеличивается удельное сопротивление сплошных рельсов. С ростом частоты гармоники тягового тока удельное сопротивление сплошных рельсов на этой частоте растет, увеличиваясь нелинейно. Средний темп роста модуля удельного сопротивления 147

сплошных рельсов типа Р65 при увеличении частоты тока в них до 500 Гц составляет в среднем 0,54 Ом/км на каждые 100 Гц. После 500 Гц этот темп уменьшается до величины, равной в среднем 0,41 Ом/км [2]. Следовательно, с ростом частоты гармоники тягового тока величина сопротивления сплошных рельсов в формуле (3.45) увеличивается, что приводит к росту численного значения знаменателя в формуле (3.32) и к соответствующему уменьшению коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовой линии на частотах его гармоник. Это одна из причин того, что на участках с электротягой постоянного тока, где наиболее характерны гармоники тягового тока с частотой 300 и 600 Гц [4], аппаратура РЦ и АЛС работает более устойчиво. Взаимная индуктивность рельсовых нитей существенно влияет на величину асимметрии тягового тока в рельсовой линии [48]. В результате действия взаимной индуктивности собственных рельсовых нитей рельсовой линии коэффициент асимметрии переменного тягового тока в рельсовых линиях может возрастать в два и более раз. С ростом удельного сопротивления рельсовых нитей Z PH и с увеличением коэффициента асимметрии тягового токаAI kвлияние взаимной индуктивности рельсовых нитей на величину асимметрии тягового тока ослабляется. Первое определяется тем, что с ростом удельного электрического сопротивления эксплуатируемых рельсовых нитей увеличивается численное значение знаменателя формулы (3.32) при неизменном численном значении числителя в этой формуле. Второе вызвано тем, что с ростом коэффициента асимметрии тягового токаAI k уменьшается действие положительной обратной связи [48]. Влияние тяговых токов в рельсовых нитях смежных рельсовых линий, в контактных проводах других путей и токов в высоковольтных линиях электроснабжения на величину асимметрии тягового тока в анализируемой рельсовой линии неоднозначно. Если сопротивление рельсовой нити, расположенной дальше одной из этих линий, больше по сравнению с сопротивлением рельсовой нити, расположенной ближе к ней, то действие взаимных индуктивностей рельсовых нитей с такой линией ослабляет асимметрию тягового тока. Если больше сопротивление рельсовой нити, расположенной ближе к рассматриваемой внешней линии, то действие взаимных 148 14 8

индуктивностей рельсовых нитей с ней увеличивает асимметрию тягового тока. Последние ситуации вызывали, например, перекрытия выходных светофоров на станциях при разгоне отправляющегося поезда и одновременном движении другого поезда по параллельному пути. В летнее время поперечное сопротивление изоляции рельсовых нитей невелико, и переменный тяговый ток интенсивно стекает из рельсов в землю так, что на расстоянии 3–4 км от движущегося электровоза в рельсах остается только несколько процентов от его тягового тока. В результате величина переменного тягового тока по длине рельсовой нити изменяется в зависимости от соотношения продольного и поперечного сопротивлений рельсовой нити в конкретной ее точке. Последнее приводит к изменению степени влияния взаимной индуктивности на сопротивление рельсовых нитей по их длине и, следовательно, к изменению величины асимметрии тягового тока в них. Это ограничивает возможность использования классической теории рельсовых цепей [2, 22] при исследованиях электромагнитной совместимости РЦ и АЛС на участках с электротягой переменного тока. Успешное применение этой теории возможно только тогда, когда рельсовые линии однородны. Во всех остальных случаях при проведении расчетов необходимо учитывать изменения тягового тока по длине рельсовой линии и неравномерность распределения продольной и поперечной асимметрии сопротивлений по ее длине. При анализе особенностей распределения во времени интенсивности сбоев в работе РЦ и АЛС можно выделить длинные, сезонные и суточные циклы. Длинный цикл определяется отрезком времени между сроками проведения капитального ремонта пути. В первые несколько месяцев после проведения такого ремонта в период приработки интенсивность рассматриваемых сбоев определяется качеством проведения работ и остающейся продольной неравномерной намагниченностью рельсов. Умень Уменьшить шить влияние последнего фак фактора тора можно размагничиванием рельсов, а исключить это влияние — переходом на сигнальный ток частотой 75 Гц [41]. Деградационные процессы в токопроводящих и изолирующих элементах рельсовых нитей вызывают постепенное увеличение 149 14 9

интенсивности сбоев РЦ и АЛС по мере роста сроков эксплуатации пути после капитального ремонта. Рельсовые стыковые соединители с медными проводами начинают массово выходить из строя через 3–4 года после капитального ремонта пути. Замена их вызывает появление еще одного периода приработки с соответствующим увеличением интенсивности сбоев. Следовательно, в этом случае появляется еще и промежуточный цикл. Переход на рельсовые стыковые соединители со стальными тросами обеспечивает их работоспособность на весь срок между капитальными ремонтами пути [41]. Некоторое повышение интенсивности их отказов отмечается только в период старения перед проведением следующего капитального ремонта пути. Сезонные колебания устойчивости работы РЦ и АЛС вызываются изменениями температуры окружающей среды, действия взаимных индуктивностей, а также сопротивления рельсов по отношению к земле. Влияние этих факторов вызывает увеличение интенсивности сбоев в зимний период и уменьшение ее в летний период. Уменьшение частоты и амплитуды этих колебаний может быть обеспечено более тщательной подготовкой электропроводящих элементов рельсовых нитей к работе в зимний период. Повышение интенсивности сбоев РЦ и АЛС в летний период может вызываться ухудшением электроизолирующих свойств искровых промежутков в цепях заземления различных конструкций, подключаемых к рельсам, а также ухудшением состояния электроизолирующих элементов железобетонных шпал. Для уменьшения влияния этих факторов необходимы проведение входного контроля качества новых изделий и периодическая диагностика состояния цепей заземления и электроизолирующих свойств железобетонных шпал. При резких перепадах температур в дневные и ночные часы с одновременным значительным уменьшением количества поездов ночью могут возникать и колебания устойчивости работы РЦ и АЛС по циклу «день–ночь». Общим фоном, определяющим уровень устойчивости работы РЦ и АЛС, являются сбои, вызываемые влиянием их на работу электрооборудования электровозов [41]. Выявление особенностей этого влияния требует проведения специальных исследований.

4. СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ТОКОВЫХ ПЕРЕГРУЗОК И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

4.1. Функ ции, вып выполня олняемы емые е сре редс дствами твами защиты Средства защиты аппаратуры от опасных и мешающих влияний, используемые в устройствах РЦ и АЛС, предназначаются для выполнения следующих функций: – ослабление уровня помех на приемнике сигналов (фильтрация и компенсация помех); – защита от токовых перегрузок; – защита от импульсных перенапряжений; – уменьшение асимметрии тягового тока в рельсовых линиях; – ослабление уровня помех в сигнальных кабелях, наводимых внешними электромагнитными полями. Для этого в РЦ и АЛС используются: – электрические фильтры, – сигнальные кабели парной скрутки; – монтаж витой парой; – автоматические выключатели и предохранители; – резисторы, дроссели и конденсаторы для ограничения токов; – устройства защиты от импульсных перенапряжений на базе разрядников, варисторов, кремниевых лавинных диодов; – дроссели для уравнивания тяговых токов в рельсовых нитях рельсовых линий; – специальная защитная аппаратура, в которой используется различные комбинации из указанных элементов защиты. В табл. 4.1 показаны условные буквенные и графические обозначения элементов защиты в соответствии с требованиями соответствующих ГОСТ в электрических схемах. 151

Таблица 4.1 Условн ые бук уквен венные ные и графи ческ ие обозначения элемент ов и ус устрой тройств ств защиты Наименование

Обозначения буквенные

Фильтр нижних частот Примечание. Размеры фильтров 12×12 мм

Z

Фильтр верхних частот

Z

Фильтр полосовой

Z

Фильтр режекторный

Z

Выключатель автоматический

QF

Дроссель Примечание. Размеры радиуса полуокружности обмотки 1,5...4,0 мм

L

Конденсатор, общее обозначение

Предохранитель плавкий, общее обозначение

152 15 2

C

FU

графические

Окончание табл. 4. 4.1 1 Наименование

Обозначения буквенные

Разрядник, общее обозначение

FV

Резистор постоянный

R

Резистор переменный

R

Варистор

RU

Стабилитроны: - односторонние - двухсторонние

V

графические

Постоянно ведутся работы по улучшению средств защиты. Это вызвано недостаточным совершенством используемых средств, а также тем, что переход в аппаратуре ЖАТ на микроэлектронную и микропроцессорную базу повышает требования к средствам защиты аппаратуры.

4.2. За Защи щита та от т оковы оковыхх пере переггру рузок зок Токовые перегрузки в аппаратуре РЦ могут возникать при высоких уровнях помех от тягового тока в рельсах, при коротких замыканиях изолирующих стыков и в самой аппаратуре. Необходимо также ограничение сигнального тока при работе РЦ в режиме короткого замыкания. 153 15 3

Для ограничения токов используются автоматические выключатели, предохранители, резисторы, реакторы (дроссели) или конденсаторы [32]. Выключатели тока автоматические типа АВМАВМ-1 1 и АВМАВМ-2 2 (А — автоматический, В — выключатель, М — многократного действия, цифра — номер типа) низковольтные мн многократного огократного действия. Предназначены они для защиты от токов перегрузки и коротких замыканий в РЦ или в силовых цепях напряжением до 250 В. Выключатели типа АВМАВМ-1 1 в настоящее время не выпускаются. Принцип действия выключателей этого типа заключается в разрыве электрической цепи за счет размыкания их контактов при нагревании термоэлемента (биметаллической пластины) прохо дящим по нему током определенной величины с последующим повторном включением цепи после остывания термоэлемента. Средний срок службы не менее 10 лет. Выключатель АВМАВМ-2 2 выпускается на номинальные токи 3,0; 5,0; 7,5; 10,0 и 15,0 А. Выключатель должен отключать ток короткого замыкания до 75 А при напряжении 220 В без повреждений, нарушающих его дальнейшую работу. Время размыкания контактов выключателя в зависимости от тока перегрузки должно быть не более: – 2 мин при температуре +25 °С и нагрузке, равной двукратному номинальному току; – 1,5 мин при температуре –45 °С и нагрузке, равной трехкратному номинальному току. Время автоматического обратного включения должно быть не более одной минуты при температуре +25 °С и не более трех минут при температуре –45 °С. Предохранители типа 20871 штепсельные применяются в устрой устрой-ствах ЖАТ при напряжении постоянного тока до 250 В и напряжении переменного тока до 380 В. Они устанавливаются на стандартных двухштырных клеммах с помощью штепселей бананового типа. Плавкие вставки для предохранителей от 0,5 до 30,0 А изготавливаются из красномедной проволоки марки МТ. Предельным для предохранителей считается такой ток, при котором плавкая вставка не должна плавиться (разрываться) в течение 20 мин. Током плавления предохранителя является ток, который плавит его вставку за время не более 10 с. Например, у предохрани154 15 4

теля с плавкой вставкой диаметром 0,07 мм, обладающей активным сопротивлением 0,048 Ом, номинальным является ток 2 А, предельным — 3,0 А, ток плавления от 4,0 до 4,6 А. Резисторы защитные типов 7156 и 7157 предназначены для огра огра-ничения тягового тока в цепях подключения к рельсам путевых приемников в однониточных РЦ, а также в двухниточных РЦ с одним ДТ, оборудованных фазочувствительными путевыми реле типа ДСШ-12 ДСШ12 на участках с электротягой постоянного тока. Резисторы эти проволочные безындукционные. Резисторы типа 7156 изготавливаются только регулируемые, а резисторы типа 7157 имеют две модификации — регулируемые и нерегулируемые. Константановая оксидированная проволока у резисторов типа 7156 наматывается на два фарфоровых изолятора, а у резисторов типа 7157 — на фарфоровое основание. Регулируемые резисторы типа 7156 выпускаются с сопротивлением 2,2 Ом и рассчитаны на номинальный ток 10 А. Регулируемые резисторы типа 7157 могут иметь сопротивление обмотки от 6 до 400 Ом с соответствующим уменьшением номинального тока от 3,3 до 0,2 А по мере роста величины номинального сопротивления. При длительном прохождении номинального тока 10 А по регулируемому резистору сопротивлением 2,2 Ом установившаяся температура его проволоки не должна превышать температуру окружающей среды больше, чем на 160 °C. Для всех остальных регулируемых и нерегулируемых резисторов эта температура также не должна превышать 120 °C. Резисторы ограничивающие типов 14676 и 14677 с номинальной мощностью 150 Вт и с номинальным сопротивлением 200 Ом ± 5 % применяются в РЦ кодовой автоблокировки 25 Гц при электротяге переменного тока. Номинальная мощность резистора 160 Вт. Эти резисторы нерегулируемые и выпускаются они с номинальным сопротивлением в диапазоне от 27 до 12 000 Ом (всего 23 градации величины сопротивления). До 1995 г. выпускались ограничивающие резисторы типа 21220. Резисторы ограничивающие типа С5-35В для навесного монтажа с номинальной мощностью 50 Вт и с номинальным сопротивлением 25 Ом обеспечивают ограничение сигнального тока в тональных РЦ. Их конструкция дает возможность регулирования сопротивления перемещением хомутика. 155 15 5

Резисторы малогабаритные нерегулируемые типа РМНРМН-1 1 и регулируемые типа РМРРМР-1 1 выпускаются с номинальным сопротивлением 2,2 ± 0,22 и 1,1 ± 0,11 Ом с мощностью рассеяния соответственно 220 и 110 Вт. В их конструкцию входят два цилиндрических фарфоровых изолятора, которые крепятся на стальных стойках. На изоляторы наматывается проволока из нихрома у резисторов типа РМНРМН-1 1 и из константана у резисторов типа РМРРМР-1. 1. На малогабаритных регулируемых резисторах типа РМРРМР-1 1 сверху устанавливается ползунковый контакт. Реакторы ограничивающие типа РОБСРОБС-1А, 1А, РОБСРОБС-3А, 3А, РОБСРОБС-4А 4А (Р — реактор; О — однофазный; Б — броневой; С — сухой) обеспечивают ограничение сигнального тока в двухниточных РЦ переменного тока. Цифра означает порядковый номер типа, а буква А — модификация реактора. Сопротивления реакторов РОБСРОБС-1А 1А и РОБСРОБС-3А 3А на частоте 50 Гц составляют соответственно 0,74 и 45,0 Ом, а допускаемые токи — 13,5 и 3,0 А. Сопротивление реактора РОБСРОБС-4А 4А равно 2,0 Ом на частоте 50 Гц и 1,0 Ом на частоте 25 Гц при допускаемом токе 3,0 А. Конденсаторы ограничивающие монтируются в нештепсельных конденсаторных блоках типа КБ. Используются они в станционных двухниточных РЦ с реле ДСШДСШ-12 12 при частоте сигнального тока 50 Гц. Они ограничивают сигнальный ток в шунтовом режиме, а также тяговый ток в аппаратуре питающего конца РЦ на участках с электротягой постоянного тока. Блок КБКБ-1 1 × 2 содержит два конденсатора типа КБГ-МНКБГ-МН-2В2В1000В-1 мкФ ± 10 % емкостью по 1 мкФ на рабочее напряжение 1000 В. Блок КБКБ-4 4 × 4 содержит четыре конденсатора этого типа емкостью по 4 мкФ.

4.3. За Защ щита от пер перен ена апр пря яжен жени ий 4.3.1. Принцип действия устройств защиты от импульсных перенапряжений Устройство для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) — это устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсов тока. 156 15 6

Принцип действия УЗИП базируется на использовании элементов, обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой. В конкретных случаях характеристика выбирается такой, чтобы в пределах допустимого изменения рабочего напряжения приемника сигналов элемент имел большое сопротивление, а при превышении верхней допускаемой границы напряжения приемника — очень малое. На рис. 4.1 приведены схемы для пояснения принципа действия УЗИП [34]. Источник помех представлен как генератор с напряжением помех UГ и с внутренним сопротивлением Z Г . Приемник обладает сопротивлением ПZ. При отсутствии нелинейного элемента под действием тока помех ГI′на приемнике создается напряжение помехи U′П (рис. 4.1 а).

а

б Р ис. 4. 4.1 1. О г р ан ани и ч ен ение ие перен пер енап апр р я жен жени и я с по помощ мощью ью не нел л и ней нейног ного о сопр соп р от оти и в лен лени ия

Если параллельно приемнику подключить нелинейный элемент с сопротивлением RO, то при появлении перенапряжения сопротивление нелинейного элемента резко уменьшается, и ток помехи увеличивается до значения I′′ Г . Сопротивление R O вместе с сопротивлением источника напряжения ZГ , куда может входить и сопротивление линии связи, образует схему нелинейного делителя напряжения (рис. 4.1 б). Напряжение помехи на приемнике при этом: (4.1) 157 15 7

При правильном выборе нелинейного элемента изменяющееся напряжение помехи UП на защищаемом объекте снижается до допустимого значения UД, не превышающего импульсную электрическую прочность объекта UИП (рис. 4.2).

Р ис ис.. 4.2 4.2.. Ог Огр р ан ани и че чен н ие пе пере рена нап п р я же жен н и й п ри пом помощ ощи и э лемен лементт а с нелин ейным сопротивл ени ние ем

Для УЗИП очень важным параметром является остаточное напряжение — это пиковое значение напряжения на выводах УЗИП при прохождении разрядного тока. Оно не должно превышать допустимой величины напряжения UД .

4.3.2. Виды устройств защиты от импульсных перенапряжений Делят УЗИП на одновводные и двухвводные; коммутирующего, ограничивающего или комбинированного типа [14]. УЗИП должно содержать, по крайней мере, хотя бы один нелинейный элемент. Одновводное УЗИП имеет один комплект выводов и включается параллельно в защищаемую цепь (это двухполюсниками по классификации электрических цепей в электротехнике). Двухвводное УЗИПимеет два комплекта выводов — вводные и выводные. Между этими комплектами выводов включается специальный элемент с полным сопротивлением Z (четырехполюсники по классификации электрических цепей в электротехнике). 158 15 8

УЗИП коммутирующего типа при отсутствии перенапряжения сохраняет высокое полное сопротивление, но при скачке напряжения может мгновенно изменить полное сопротивление на низкое. Общим примером элементов, служащих коммутирующими устройствами, являются искровые и газонаполненные разрядники, тиристоры (кремниевые выпрямители), управляемые тиристоры и транзисторные ключи. Такие УЗИП иногда называют разрядниками. Разрядники в системах ЖАТ используются для отвода импульсного тока молнии или импульсного тока, возникающего при коммутационных перенапряжениях, систему заземления. УЗИП ограничивающего типа при отсутствии перенапряжения сохраняет высокое полное сопротивление, но постепенно снижает его с возрастанием волны тока и напряжения. Такие УЗИП иногда называют ограничителями. Принцип действия ограничителей базируется на использовании элементов, обладающих нелинейной вольтамперной характери стикой. Общим примером таких элементов являются варисторы и диодные разрядники. В конкретных случаях вольтамперная характеристика выбирается такой, чтобы в допустимых пределах изменения рабочего напряжения сопротивление элемента было очень большое, а при превышении заданного напряжения — очень малое. УЗИП комбинированного типа содержат элементы как коммути коммути-рующего, так и ограничивающего типов. Они могут коммутировать или ограничивать напряжение, а также выполнять обе эти функции. Их действие зависит от характеристик подаваемого напряжения. В комбинированных УЗИП могут использоваться открытые и закрытые искровые разрядники, газонаполненные разрядники, тиристоры и транзисторные ключи, оксидно-цинковые варисторы и ограничительные диоды (стабилитроны). Импульсные контрольные испытания, проводимые на каждом УЗИП, на его частях или материалах для подтверждения, что изделие соответствует конструкторской документации, а также приемочные импульсные испытания УЗИП или их представленных образцов делят на три класса. 159 15 9

Испытания класса I проводятся с номинальным разрядным током, протекающим через УЗИП, с формой волны 8/20, с импульсным напряжением с формой 1,2/50 и максимальным импульсным током. Испытания класса II проводятся с номинальным разрядным током, протекающим через УЗИП, с формой волны 8/20, с импульсным напряжением с формой 1,2/50 и максимальным разрядным током. Испытания класса III проводятся с комбинированной волной. Комбинированная волна создается генератором, который подает в разомкнутую цепь импульс напряжения 1,2/50, а в короткозамкнутую цепь — импульс тока 8/20. Напряжение, амплитуда тока и форма волны, подаваемой к УЗИП, определяются генератором и полным сопротивлением УЗИП, к которому прикладывается импульс. Отношение пикового напряжения разомкнутой цепи к пиковому току короткого замыкания составляет 2 Ом. Оно считается условным полным сопротивлением. Схемы и графики на рис. 4.3 поясняют, за счет чего ограничивается величина импульсов комбинированной волны одновводными и двухвводными УЗИП [16]. Форма прикладываемого импульса показана на рис. 4.3 а. Форма ограничения прикладываемого импульса одновводным УЗИП на базе варистора показана на рис. 4.3 б. В этом случае остаточное напряжение не меняет своей величины за всю длительность импульса перенапряжения. Если в УЗИП используется разрядник, то в начале импульса проявляется всплеск остаточного напряжения относительно большой величины, после которого амплитуда остаточного напряжения резко уменьшается (рис. 4.3 в). Одновводное УЗИП на базе последовательного включения разрядника и варистора каких-либо преимуществ по ограничению перенапряжения не дает (рис. 4.3 г). В этом случае быстродействие УЗИП все равно определяется разрядником, а после его срабатывания остаточное напряжение варистора оказывается больше, чем это напряжение в схеме, показанной на рис. 4.3 в. Двухвводное УЗИП комбинированного типа, когда между параллельно соединенными разрядником и варистором включено какое160 16 0

Р ис. 4.3. Сра Срабат баты ы в ан ани и е од одновв новвод одн н ы х и д в у х вв ввод одн н ы х У ЗИП п ри в оз озде дейс йстт ви вии и импульса комб омбиниро иниро ванн ой волны 161

либо сопротивление Z, например, сопротивление соединительных проводов или какого-либо специального элемента, обеспечивает уменьшение остаточного напряжения только после более длительного всплеска перенапряжения в начальный момент (рис. 4.3 д). Напряжение на выходе двухвводного УЗИП с развязывающим фильтром П-образного типа с реактивным продольным сопротивлением, у которого во входной цепи фильтра включен варистор, а в выходной цепи — емкость, обеспечивает плавное ограничение напряжения на выходе (рис. 4.3 е).

4.3.3. Элементная база устройств защиты от импульсных перенапряжений В УЗИП, применяемых в аппаратуре ЖАТ, в качестве нелинейных сопротивлений используются разрядники, варисторы, лавинные диоды (стабилитроны), керамические и оксидно-цинковые выравниватели. Физические принципы действия этих устройств различны, потому сильно различаются и их характеристики: – напряжение срабатывания; – время срабатывания; – уровень точности ограничения напряжения; – степень точности ограничения напряжения; – допустимая токовая нагрузка; – остаточное сопротивление и другие. Основные обобщенные характеристики элементов, используемых в УЗИП, приведены в табл. 4.2 [28]. При защите элементов электроники и микроэлектро микроэлектроники ники очень важно быстродейс быстродействие твие УЗИП. Из этой таблицы видно, что наиболее инерционными являются разрядники. Открытые искровые разрядники обладают очень высокой способностью к пропуску импульсных токов и к гашению сопровождающих токов, но требуют выполнения специальных требований для обеспечения пожарной безопасности. Газонаполненные разрядники и маломощные закрытые искровые разрядники отличаются ср средней едней способностью к пропус пропуску ку импульсных токов, они менее пожароопасны, но у них низкая способность к гашению сопровождающих токов и к токам короткого замыкания. 162 16 2

Табл Та блиц ица а 4.2 Обобщенн ые характерис тик тики и огран ич ичителей ителей перенап ряжен ий Параметр

Разрядники Варисторы с заполнением инертным газом

Стабилитроны односторонние

двухсторонние

2,4 — 200

6 — 440

Напряжение ограничения, В

10–12 000

6–2000

Импульсный ток 8/20 мкс, А

60 000

25 000

Максимальный ток длительностью 1 мс, А

500

120

10

200

Максимальная поглощаемая энергия, Дж

60

2000

0,1

1

Допустимая длительная мощность, Вт

800 (1 с)

2

50

5

Входная емкость, пФ

0,5–10

40–40 000

5–15 000

300 — — 15 000

Рабочая температура, °C

— 55 — + 130

— 65 — + 175

— 65 — + 75

≤ 10

≤ 0,01

Время срабатывания, нс Защитное действие Область применения

— 40 — + 125

≤ 1 000 Грубая защита Низкие напряжения

≤ 25

10

200

Тонкая защита Малые напряжения

Варисторы обладают высоким быстродействием, но их способность к пропуску импульсных токов хуже, и поэтому они могут использоваться только для грубой защиты. Для обеспечения пожарной безопасности они требуют оснащения встроенными внутренними разъединителями или внешней защитной конструкцией. 163 16 3

Ограничительные диоды отличаются очень высоким быстродействием и очень низким значением остаточного напряжения, но у них низкая способность к пропуску импульсных токов и очень низкая стойкость к токам короткого замыкания. Устойчивость к токам короткого замыкания оценивают максимальным ожидаемым током короткого замыкания, который способно выдержать УЗИП. Разрядники конструктивно изготавливаются в виде воздушных устройств, газонаполненных устройств или элементов со скользящим разрядом. Газонаполненный разрядник содержит два электрода с фиксированным расстоянием между ними, помещенных в герметический или стеклянный корпус, заполненный инертным газом. Сопротивление изоляции между электродами составляет более 1010 Ом, а емкость менее 10 пФ, поэтому такой разрядник слабо нагружает защищаемую систему. Если напряжение помехи превышает напряжение пробояПР U, то происходит разряд между электродами и сопротивление разрядника понижается примерно на 10 порядков. В результате напряжение на разряднике понижается до уровня остаточного напряжения ОС U. Разрядники обеспечивают только грубую защиту, т.к. за время срабатывания напряжение пробоя U ПР может превысить допускаемый ПР для защищаемой цепи уровень напряжения. При очень коротких импульсах напряжения (менее 30 нс) газонаполненный разрядник не срабатывает. Газонаполненные разрядники надежно пропускают стандартные токи длительностью 8/20 мкс амплитудой до нескольких десятков килоампер. Однако они способны гасить только маленькие токи, не превышающие 1 А. Поэтому их применение требует последовательного включения защитного устройства, способного отключить возможный сопровождающий ток. Типичное изменение во времени напряжения на разряднике со скользящим разрядом приведено на рис. 4.4. Такие разрядники содержат между электродами изоляционный материал. Вольтсекундные характеристики этих разрядников более пологие, чем у газонаполненных разрядников [34]. Разрядник типа РВНШРВНШ-250 250 — вентильный (В) низковольтный (Н) штепсельного типа (Ш) используется для защиты электрических цепей напряжением до 250 В и относится к разрядникам 164 16 4

U, к В

1,0

500–7 500– 700 В 0,5 10 –30 В

t, м кс

Рис Ри с. 4.4. Типичная хара ктер ис истика тика зажигания газ газон онап аполн олненн енно ого разрядника раз рядника со ск скольз ольз ящим разр ядо ядом м

многократного действия. Такие разрядники предназначены для защиты электрических цепей аппаратуры ЖАТ с рабочим напряжением до 360 В от перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах и при коротких замыканиях в контактной сети. Они имеют два электрода — «земля», «линия» и обеспечивает быстрое гашение возникающей дуги. В разрядниках РВНШРВНШ-250 250 применен вилитовый диск типа НСНС-2. 2. Сопротивление диска, включенного последовательно с искровым промежутком, имеет явно выраженную вентильную характеристику — при повышении напряжения сопротивление диска быстро уменьшается, а при снижении напряжения это сопротивление резко возрастает. Токи молнии и коротких замыканий контактной сети, имеющие большую амплитуду, беспрепятственно пропускаются разрядником в землю. Разрядники предназначены для работы при температуре воздуха от –40 до +50 °С; относительной влажнсти до 95 % и должны выдерживать не менее 15 импульсов тока с амплитудой 3000 А при длине фронта импульса 15–20 мкс и длине волны 40 мкс. 165 16 5

Разрядники типа PKBHPKBH-250 250 выполняют такие же функции. Это газонаполненные керамические (К) разрядники с оксидно-цинковыми варисторами (В) и ножевыми выводами (Н), предназначенные для замены разрядников РВНШРВНШ-250. 250. Разрядник типа РКН — керамический (К) с ножевыми выводами (Н) предназначен для защиты изоляции цепей переменного тока с напряжением от 0 до 250 В и постоянного тока с напряжением от 0 до 120 В в устройствах ЖАТ от импульсных перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах и коммутационных процессах в линиях электропитания. Статическое напряжение пробоя у разрядников типа РКНРКН-600 600 должно быть в пределах от 500 до 800 В, а у разрядников типа РКН900 — в пределах от 750 до 950 В. Разрядниками РКНРКН-600 600 и РКНРКН-900 900 заменялись разрядники предыдущего поколения РВНШРВНШ-250 250 в цепях защиты вводов питания и цепях ввода–вывода, где влиянием выпрямительного эффекта разрядников можно пренебречь. Многозазорный угольный разрядник HS HS50-5050-50-RW RW разработан ЗАО «Хакель Рос» (Санкт-Петербург) специально для применения в устройствах ЖАТ и предназначен для защиты оборудования в низковольтных силовых распределительных сетях до 1000 В при воздушном вводе электропитания. Угольные разрядники основаны на принципе действия искрового промежутка. Искровой промежуток представляет собой воздушный промежуток между электродами, один из которых подключен к защищаемой цепи, а другой электрод заземлен. При достижении определенного напряжения на электродах проводимость искрового промежутка резко увеличивается, а возникающий в нем электрический пробой ведет к снижению напряжения, предотвращая повреждение электрооборудования. Искровой промежуток угольного разрядника разделен на участки строго определенной длины, образованные высокопрочными графитовыми пластинами. Угольные разрядники серии «Хакель Рос» обладают предельно высокой способностью гасить сопровождающий ток и рассчитаны на пропускание импульсных токов 10/350 до 50 кА. Конструктивно разрядники выполнены в закрытом корпусе, что исключает опасность возгорания в распределительных щитах из-за выброса продуктов дугообразования в момент срабатывания. 166 16 6

Основные характеристики разрядников приведены в табл. 4.3 [28]. Видно, что разрядники нового поколения HS HS50-5050-50-RW, RW, предназначенные для защиты от импульсных перенапряжений, выгодно отличается тем, что у них нормируется остаточное напряжение и номинальный разрядный ток при импульсе тока с параметрами времени 8/20 мкс/мкс. Причем остаточное напряжение у этого разрядника почти в три раза меньше по сравнению с остаточными напряжениями у разрядников типов РВНШРВНШ-250 250 и PKBHPKBH-250. 250. Табл Та бли ица 4.3 Основные харак терист ик ики и разря дн дников иков Наименование параметра

Значение параметра для разрядника

Пробивное напряжение, В

700–900 (переменное)

600–900 (переменное)

1000

500

РКН900

250

HS50-50HS50-50-RW Уголь ный с нерегулируе мым воздуш ным искровым проме жут ком

260

РКН600 Газо на пол ненный

250

Конструкция

Газо на пол ненный с оксидно-цинковым варистором

PKBH250

Вилито вый диск с регулируе мым воздушным искровым проме жут ком

РВНШ250

Наибольшее рабочее напряжение, В

Сопротивление изоляции между электрическими выводами, мОм

нового поколения

предыдущего поколения

250

400

500– 800 (постоянное)

750– 950 (постоянное)

≤ 700 (переменное)

100

500

> 500

167

Окончание табл. 4.3

100

100

РКН900

100

100

не нормируется

3000

Номинальный разрядный ток при T И (8/20), А Остаточное напряжение, В

РКН600

5000

20 000

1400 при 5000 А

100 30 000

10 000

не нормируется

1400 при 1000 А

HS50-50HS50-50-RW Уголь ный с нерегулируе мым воздуш ным искровым проме жут ком

PKBH250

Газо на пол ненный

РВНШ250

Максимальный импульсный ток при Timp (10/350), А Максимальный импульсный ток при T И (8/20), А

нового поколения

предыдущего поколения

Газо на пол ненный с оксидно-цинковым варистором

Быстродействие, нс

Значение параметра для разрядника

Вилито вый диск с регулируе мым воздушным искровым проме жут ком

Конструкция

Наименование параметра

не нормируется

80 000

10 000

≤ 500 при 10 000 А

Варисторы (Variable Resistors) представляют собой элемен элемен-ты с симметричной вольтамперной характеристикой (рис. 4.5). Обозначаются они буквами СН — сопротивление нелинейное. Ток через варистор при I > 0 зависит от напряжения на нем следующим образом: 168 16 8

, (4.2) где К — коэффициент, зависящий от размеров элемента; α — коэффициент нелинейности, зависящий от материала элемента.

Р ис. 4.5. Ти Тип п и ч на ная я в ол ольт ьта а м перн перна а я х ар арак актт ерис еристт и к а ва варис ристт ора 1 – д и а па пазз он рабо ра бочих чих напр яже яжений ний,, 2 – учас то токк ста табилиз билиз ации

Коэффициент нелинейности — это отношение статического сопротивления в данной точке вольтамперной характеристики к динамическому сопротивлению в той же точке. Вычисляется коэффициент по формуле: (4.3) где напряжения U1 и U2 в Вольтах, а токи 1I и I 2 частотой 50 Гц в миллиамперах, соответственно, при напряжениях 1Uи U2. Например, для керамического нелинейного резистора типа НС-1, НС1, используемого в керамических выравнивателях типа ВКВК-10, 10, коэффициент нелинейности, составляющий не более 0,55, находят при U1 = 20 B и U2 = 40 B. Остаточное напряжение у варисторов в зависимости от их исполнения может лежать как в диапазоне низких, так и в диапазоне высоких величин, причем варисторы способны поглощать значительную энергию. 169 16 9

Время их срабатывания сравнительно мало и составляет десятки наносекунд. Ограничивается оно индуктивностью токопроводов. Собственная емкость варисторов велика и находится в пределах 0,4–40 нФ, поэтому их применение для ограничения перенапряжения в высокочастотных системах исключено. Конструктивно варисторы выполняются в виде шайб, блоков, а также в виде втулок для разъемных соединений. На практике варисторы используют преимущественно для грубой защиты. Кремниевые лавинные диоды (односторонние и двухсторонние стабилитроны) обладают свойством не повреждаться при воздействии напряжения, превышающего величину, до которой они находятся в закрытом состоянии. Стабилитроны с напряжением 3–200 В используются в электронных схемах для стабилизации напряжения и защиты от перенапряжений. На рис 4.6 приведена характеристика ограничительного стабилитрона. Его важнейшие параметры: RU— максимальное напряжение, при котором диод еще закрыт; U B — напряжение начала ограничения, при котором ток равен IB; UC — напряжение ограничения для импульса тока величиной PI. Достигаемые уровни ограничения напряжения лежат в пределах от 6 до 440 В. Защитные стабилитроны выпускаются также в виде биполярных элементов. Например, для одного типа этих элементовR U= ±6 B; UB = ±6,5 B; UC = ±12 B при токе IP = 40 A с временными параметрами импульса 8/20 мкс [35]. Кратковременный ток перегрузки при импульсе 8/20 мкс для разных типов варисторов может достигать сотни и тысячи ампер. На входах путевых приемников типов ПП и ППМ тональных РЦ для защиты от перенапряжений, например, используются стабилитроны типа КС КС512А. 512А. Напряжение стабилизации у них составляет 10,8 — 13,2 В при температуре окружающей среды 25 ± 10 °C. Максимальный допустимый постоянный ток стабилизации при температуре окружающей среды от минус 60 до + 10 °C составляет 67 мА. Минимальная наработка этих стабилитронов до отказа 20 000 ч.

4.4. Уст строй ройст ства ва д л я защ защи и ты о т пер перена енапря пряжен жени ий Выравниватели напряжений — это полупроводниковые защитные приборы, которые по существу являются нелинейными резистора17 0

ми, способными поглощать энергию, сопутствующую перенапряжению. Сопротивление таких защитных приборов зависит от приложенного напряжения. Чем это выше приложенное напряжение, тем резче падает сопротивление. Время срабатывания выравнивателей измеряется в тысячных долях микросекунд, что минимум в сто раз быстрее срабатывания низковольтных вентильных разрядников. Включаются выравниватели в электрическую цепь, как правило, параллельно защищаемому прибору, чтобы выравнивать опасную разность потенциалов между проводами на его входе при появлении перенапряжений от внешних источников (см. рис. 4.3 а). При рабочем напряжении электрической сети сопротивление выравнивателя велико и не оказывает какого-либо влияния на работу этой цепи. В случае появления импульсов перенапряжений сопротивление его резко снижается, что вызывает шунтирование защищаемого прибора, и на нем остается напряжение, равное остаточному напряжению выравнивателя. После прохождения импульсов перенапряжений сопротивление выравнивателя восстанавливается до прежнего значения. Выравниватель является защитным прибором многократного действия. (В — выравниватель, К — Выравниватели керамические ВКВК-10 10 керамический, 10 — значение максимально допустимого для электрической цепи рабочего напряжения переменного тока в Вольтах) предназначены для защиты от перенапряжений путевых приборов РЦ автоблокировки на неэлектрифицированных участках железных дорог. Такой выравниватель состоит из одного керамического нелинейного резистора типа НСНС-1 1 или РНК-IV РНК-IV2 2 и двух электродов. При рабочем напряжении РЦ сопротивление выравнивателя составляет 5000 Ом. При перенапряжениях выше 1000 В его сопротивление уменьшается до десятых или сотых долей Ома, чем и обеспечивается защита путевых приборов РЦ от воздействия опасных токов и напряжений. Ток утечки частотой 50 Гц через выравниватель составляет 40 ± 20 мА при напряжении 20 В и 5 ± 3 мА при напряжении 5 В. Остаточное напряжение на выравнивателе при амплитуде импульсного тока 3000 А должно быть не более 1400 В, а при амплитуде 50 А — не более 250 В. 171 17 1

Выравниватели выдерживают не менее 25 импульсов тока с амплитудой 3000 А при длине фронта импульсов 20 мкс и длине волны 40 мкс. Вероятность безотказной работы за время 8000 часов с учетом внезапных и постепенных отказов должна составлять 0,968. Выравниватели ВОЦНВОЦН-24, 24, ВОЦНВОЦН-36, 36, ВОЦНВОЦН-110, 110, ВОЦНВОЦН-220 220 и ВОЦН-380 ВОЦН380 (В — выравниватель, ОЦ — оксидноцинковый, Н — низковольтный, цифры — рабочее напряжение электрической цепи) предназначены для использования в аппаратуре РЦ, в том числе тональных, а также в другой низковольтной аппаратуре. Они обеспечивают защиту от импульсных перенапряжений, возникающих в результате грозовых разрядов и коммутационных процессов в контактной сети электрифицированных железных дорог. Эти выравниватели выпускаются с 1995 г. и являются невосстанавливаемыми изделиями. Нелинейность характеристики обеспечивается использованием в выравнивателях типов ВОЦНВОЦН-24 24 и ВОЦНВОЦН-36 36 варисторов ВРВР-10, 10, а в выравнивателях типов ВОЦНВОЦН-110, 110, ВОЦНВОЦН-220 220 и ВОЦНВОЦН-380 380 — варисторов типа СН СН2-2В. 2-2В. Это полупроводниковые металлооксидные или оксидноцинковые резисторы, обладающие свойством резко уменьшать свое сопротивление с 1000 МОм до десятков Ом при увеличении на них напряжения выше пороговой величины. Выравниватели типов ВОЦНВОЦН-24 24 и ВОЦНВОЦН-36 36 используются на участках с автономной тягой для защиты от импульсных перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах. На участках железных дорог с электротягой они обеспечивают также защиту аппаратуры от перенапряжений, возникающих при коммутационных процессах в контактной сети. Остаточное напряжение для выравнивателей ВОЦНВОЦН-24 24 должно быть не более 700 В, а для выравнивателей ВОЦНВОЦН-36 36 не более 800 В при воздействии импульса тока с амплитудой 5000 ± 500 А, длительностью 16,2 ± 3,2 мкс при длительности фронта 6,4 ± 2,0 мкс. Выравниватели ВОЦНВОЦН-110, 110, ВОЦНВОЦН-220 220 и ВОЦНВОЦН-380 380 защищают аппаратуру и от импульсных перенапряжений, возникающих при коммутационных процессах в электрических сетях высокого и среднего напряжения. Основные электрические параметры выравнивателей ВОЦНВОЦН-110, 110, ВОЦНВОЦН-220 220 и ВОЦНВОЦН-380 380 приведены в табл. 4.4 [28]. 172 17 2

Таб Та блица 4 .4 Основные харак терист ик ики и варисторов в устр стройства ойства х типов ВО ВОЦН ЦН и УЗ УЗП П1 Наименование параметра

Значения параметров для варисторов в устройствах предыдущего поколения ВОЦН380

ВОЦН, ВОЦШ220

нового поколения

ВОЦН, ВОЦШ110

УЗП1УЗП15000,4

УЗП1УЗП15000,26

УЗП1УЗП15000,13

Максимальное рабочее напряжение переменного тока, В

420

250

150

420

260

130

Максимальное рабочее напряжение постоянного тока, В

600

350

250

560

350

220

Остаточное напряжение при импульсном токе с TИ (8/20), В не более

2000 при 2000 А

1000 при 2000 А

Максимальный выдерживаемый импульсный ток при однократном импульсе с TИ (8/20), А

не нормируется

Максимальный выдерживаемый импульсный ток при однократном импульсеT И (10/350), А Ток утечки, мА Энергия рассеивания при импульсе T И (8/20), Дж

700 1300 1000 700 при при при при 2000 А 5000 А 10 000 А 10 000 А

1500

не нормируется

0,15

0,3

0,3

51–79

38

19

0,5

60 000

40 000

10 000

5000

0,5

0,15

1500

750

До воздействия импульсной нагрузки выравниватели ВОЦНВОЦН-24 24 и ВОЦН-36 ВОЦН36 должны обеспечивать значения коэффициента нелиней173 17 3

ности больше 22, а выравниватели ВОЦНВОЦН-110, 110, ВОЦНВОЦН-220 220 и ВОЦН380 — больше 30. После воздействия импульсной нагрузки десятью импульсами тока на выравниватели ВОЦНВОЦН-24 24 и ВОЦНВОЦН-36 36 и двадцатью импульсами тока на выравниватели ВОЦНВОЦН-110, 110, ВОЦНВОЦН-220 220 и ВОЦНВОЦН-380 380 с интервалами не менее 1 мин коэффициент нелинейности у всех этих выравнивателей должен быть больше 10. Устройства для защиты от перенапряжений УЗП УЗП1-500-0,4, 1-500-0,4, — это устройства нового поколеУЗП1-500-026 УЗП 1-500-026 и УЗП УЗП1-500-0,13 1-500-0,13 ния, построенные на оксидно-цинковых варисторах. Разработаны они ОАО «Сендаст» (г. Новосибирск). При появлении импульсных перенапряжений устройства резко ограничивает их амплитуду за счет своей крутой нелинейной вольтамперной характеристики. Неразборный герметизированный полимерный корпус обеспечивают стабильность его характеристик в процессе эксплуатации. В устройствах УЗП УЗП1-500-0,4, 1-500-0,4, УЗП УЗП1-500-026 1-500-026 и УЗП УЗП1-500-0,13 1-500-0,13 все параметры используемых варисторов нормируются. По сравнению с варисторами в выравнивателях типов ВОЦН остаточное напряжение варисторов в устройствах типа УЗП УЗП1 1 значительно меньше при одинаковых однократных импульсах токов, обладающих параметрами времени 8/20 мкс/мкс, и варисторы обладают значительно большей энергией рассеивания. Основные характеристики варисторов, используемых в низковольтных выравнивателях напряжений типов ВОЦН и в устройствах защиты от перенапряжений типов УЗП, приведены в табл. 4.4. Из таблицы видно, что в устройствах УЗП используются более совершенные варисторы. Устройства защиты тиристорные типов УЗТУЗТ-1 1 и УЗТУЗТ-2 2 были разработаны институтом ВНИИЖТ, выпускались с 1989 г. и устанавливались взамен разрядников типа РВНШРВНШ-250 250 для защиты от перенапряжений соответственно питающих и релейных концов РЦ. Основная их идея состоит в поочередном включении тиристоров при разнополярных импульсах перенапряжения, когда величина перенапряжений достигает определенных пороговых значений для каждого ключа. Устройства УЗТУЗТ-1 1 предназначены для защиты электрических цепей переменного тока с частотой до 75 Гц и рабочим напряжением до 220 В. Устройства УЗТУЗТ-2 2 защищают от коммутационных 174 17 4

перенапряжений аппаратуру РЦ с рабочим напряжением до 60 В при аварийных режимах работы тяговой сети. Для устройств типа УЗТУЗТ-1 1 напряжение срабатывания 600 ± 200 В и ток утечки не более 1,0 мА при напряжении 220 В. Устройства УЗТ-2 УЗТ2 срабатывают при напряжении 160 ± 40 В, и ток утечки через них — не более 1,0 мА при напряжении 60 В. В настоящее время они не рекомендуются для применения при новом проектировании и модернизации систем ЖАТ. Главные их недостатки заключаются в том, что тиристоры в обоих устройствах не имеют защиты от превышения критической скорости нарастания анодного тока. В результате тиристоры могут быть выведены из строя сразу же после включения или их свойства могут ухудшаться из-за избыточного локального разогрева кристаллов (кумуляции). Кроме того, в схеме УЗТУЗТ-1 1 нет защиты управляющих переходов тиристоров от обратных напряжений, а в схеме УЗТУЗТ-2 2 отсутствует защита управляющих переходов тиристоров от перегрузки по току управления при больших скоростях нарастания перенапряжения [26]. Устройство защиты от перенапряжений УЗП УЗП1РУ-1000 1РУ-1000 с исполь исполь-зованием угольных разрядников предназначено для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений в цепях питания устройств ЖАТ, а также в РЦ при всех видах тяги взамен разрядникам типов РВНШРВНШ-250, 250, РКВНРКВН-250, 250, РКНРКН-600 600 и РКНРКН-900. 900. Устройство состоит из двух электродов, выполненных из высокопрочного эрозионно-стойкого графита, между которыми установлена нормированная прокладка из диэлектрика. Устройство помещено в изоляционную полимерную оболочку с присоединенными к ним электрическими выводами. Защитное действие устройств УЗП УЗП1РУ-1000 1РУ-1000 обусловлено тем, что при появлении в электрических сетях вызванных коммутационными и атмосферными воздействиями импульсных перенапряжений они резко ограничиваются за счет возникновения электрической дуги в межэлектродном пространстве. Устройство снабжено многоразовым клапаном, который обеспечивает выброс продуктов электроэрозии из межэлектродного пространства и предохраняет попадание влаги и пыли из окружающей среды в это пространство, что гарантирует стабильность характеристик. 175 17 5

Блоки защиты БЗИП разработаны ЗАО «Ассоциация АТИС» и предназначены для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений цепей питания, РЦ, линейных цепей аппаратуры кодовой АБ, а также аппаратуры КЭБ и АПС [30]. Блоки из этой серии типов БЗИП-РЦк-ЭТ БЗИП-РЦк-ЭТ50, 50, БЗИП-РЦк-ЭТ БЗИП-РЦк-ЭТ00 00 и БЗИП-РЦк-АТ предназначены для защиты аппаратуры кодовых РЦ в системах АБЧК и АПС соответственно для участков с электротягой переменного тока, с электротягой постоянного тока, с автономной тягой. Защиту аппаратуры РЦ в системах КЭБКЭБ-1 1 и КЭБКЭБ-2 2 обеспечивают блоки типа БЗИП-РЦ, особенности исполнения которых зависят от их назначения для применения на участках железных дорог с электротягой постоянного тока, с электротягой переменного тока или с автономной тягой. Для защиты РЦ в этих блоках использованы многозазорные угольные разрядники типа HS HS50-5050-50-RW RW и варисторы типа SPC SPC1.1– 1.1– 150 DS. Диапазон рабочих температур у блоков находится в пределах от –40 до +80 °С. В цепи включения варистора предусмот рен терморасцепитель, срабатывание которого происходит при температуре 190±5 °С. Для разрядников должны проводиться испытания класса I, а для варисторов — испытания класса I + II. Основные технические характеристики этих средств защиты приведены в табл. 4.5. Табл Та бли ица 4.5 Основные техн ическ ие харак терист ик ики и элемент ов в блока х БЗ БЗИП ИП--РЦ Технические характеристики

Средства защиты разрядники варисторы HS50-50-RW HS50-50RW SPC1.1–150 SPC1.1–150 DS

Номинальное рабочее напряжение, В

230

230

Максимальное длительное рабочее напряжение, В

255

275

Импульсный ток 10/350 мкс/мкс, кА

50

20

–

150

Максимальный разрядный ток 8/20 мкс/мкс, кА 17 6

Окончание табл. 4.5 Технические характеристики

Средства защиты разрядники варисторы HS50-50HS 50-50-RW RW SPC1.1–150 SPC1.1–150 DS

Номинальный разрядный ток 8/20 мкс/мкс, кА Временное перенапряжение в течение 5 с, В Уровень напряжения защиты при импульсном токе 10/350 мкс/мкс, кВ Время срабатывания, нс

–

80

334