Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Уровень развития и надежность систем интервального регулирования движения поездов 12
1.1 Состояние и направления развития систем интервального регулирования движения поездов 12
1.2. Анализ технических средств контроля межпоездного интервала и препятствий на пути для движения поездов 16
1.3. Уровень надёжности систем интервального регулирования движения поездов 20
1 4. Методы обеспечения и расчёта надёжности 24
1.5. Анализ особенностей построения современных релейных систем интервального регулирования движения поездов 29
1.6. Выводы 33
Глава 2. Вероятностные модели надёжности систем интервального регулирования движения поездов 35
2.1. Обобщённая вероятностная модель надёжности систем интервального регулирования движения поездов 35
2.2. Вероятностная модель надёжности кодовой автоблокировки 40
2.3. Анализ надёжности кодовой автоблокировки 50
2.4. Вероятностные модели децентрализованной автоблокировки с тональными рельсовыми цепями 58
2.5. Анализ надёжности системы АБТ 65
2.6. Вероятностные модели надёжности централизованной автоблокировки с тональными рельсовыми цепями 67
2.7. Анализ надёжности системы АБТЦ 73
2.8. Вероятностные модели надёжности систем АЛСО
с децентрализованным размещением аппаратуры 74
2.9. Анализ надёжности системы АЛСО с децентрализованным размещением аппаратуры 75
2.10. Вероятностные модели надёжности для системы АЛСО с централизованным размещением аппаратуры 76
2.11. Анализ надёжности системы АЛСО на базе кодовой АБ с централизованным размещением аппаратуры 78
2.12. Сравнительный анализ надёжности систем интервального регулирования движения поездов 79
2.13. Выводы 83
Глава 3. Разработка методов повышения надёжности систем ИРДП 85
3.1. Пути повышения надёжности систем ИРДП 85
3.2. Резервирование системы АЛСО на базе тональных рельсовых цепей 86
3.3. Анализ эффективности резервирования систем ИРДП 91
3.4. Выводы 93
Глава 4. Методы повышения надежности изолирующих элементов рельсовой линии 94
4.1. Требования к электрическим параметрам рельсовой линии как элемента рельсовых цепей 94
4.2. Рельсовая линия как четырёхполюсник 95
4.3. Схема замещения стыкового четырёхполюсника без дроссель-трансформаторов 100
4.4. Схема замещения стыкового четырёхполюсника с дроссель-трансформаторами 106
4.5. Метод определения границы поля допуска сопротивления изолирующих стыков 114
4.6. Разработка норм содержания сопротивления изолирующих стыков.. 116
4.7. Выводы 117
Глава 5. Разработка и внедрение резервированной системы интервального регулирования движения поездов 119
5.1. Принципы работы системы резервирования интервального регулирования движения поездов 119
5.2. Разработка технических решений при внедрении резервированной системы интервального регулирования движения 121
5.3. Расчёт экономической эффективности резервирования систем ИРДП 122
5.4. Выводы 127
Заключение 128
Библиографический список 132
- Состояние и направления развития систем интервального регулирования движения поездов
- Обобщённая вероятностная модель надёжности систем интервального регулирования движения поездов
- Пути повышения надёжности систем ИРДП
- Требования к электрическим параметрам рельсовой линии как элемента рельсовых цепей
Введение к работе
Актуальность темы. Структурная реформа на железнодорожном транспорте; необходимость выполнения задач Стратегической программы ОАО "РЖД" по повышению эффективности работы железных дорог и снижению затрат на перевозки грузов, улучшению социального статуса работников железнодорожного транспорта требуют проведения технического и технологического перевооружения железнодорожного транспорта.
Для участков железных дорог с высокой интенсивностью движения поездов или с движением высокоскоростных и тяжеловесных поездов актуальна задача повышения надежности систем интервального регулирования движения поездов (ИРДП). Вызвано это тем, что отказы данных систем приводят к быстрому уплотнению потока поездов и к резкому уменьшению скорости их движения. Устранение таких уплотнений происходит гораздо медленнее, чем нарастание уплотнения. В результате железные дороги несут весьма ощутимые экономические потери из-за задержек поездов, и при этом ухудшаются условия обеспечения безопасности движения поездов.
Одним из приоритетных направлений роста эффективности использования систем ИРДП признано повышение их отказоустойчивости за счет применения резервирования не отдельных устройств, а систем в целом. Однако научная проработка прогрессивного направления повышения надежности систем СЦБ пока недостаточна.
В современных системах ИРДП межпоездной интервал регулируется на основе, получаемой от рельсовых цепей (РЦ), информации о расстоянии до препятствия на пути. Наименее надежными элементами рельсовых цепей являются рельсовые линии, которые используются также для непрерывной передачи на локомотив по каналам автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) сигналов, несущих информацию о максимально допустимой скорости движения. Следовательно, необходимо исследовать влияние надежности этих устройств на эффективность резервирования систем ИРДП. В этом аспекте важны также вопросы повышения надежности рельсовых линий.
Исследованию вопросов надежности технических средств и систем управления, в том числе систем железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), посвящены работы ученых Е.Ю Барзиловича, А.И. Брейдо, В.В. Болотина, Г.В. Дружинина. В.К. Дедкова, И.Е. Дмитренко, Р.Н. Колегаева, А.П. Разгонова, В.И. Шаманова, Р.Ш. Ягудина, Р. Барлоу, Л. Венера, В. Кокса, Г. Торнаи, М. Фишера и других. Значительный вклад в развитие теории и внедрение систем ИРДП внесли известные ученые Л.А. Баранов, И.В. Беляков, A.M. Брылеев. Ю.А. Кравцов, В.М. Лисенков, А.С. Переборов. Н.Ф. Котляренко, Е.Н. Розенберг, В.В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, В.И. Талалаев, Д.В. Ша-лягин, А.П. Шишляков и многие другие.
Цель диссертационной работы - разработка научно-методологического подхода решения задач повышения отказоустойчивости и ремонтопригодности автоматизированных систем интервального регулирования и управления движением транспортных средств, в том числе на участках железных дорог с высокой степенью использования пропускной способности и с высокой интенсивностью движения тяжеловесных или высокоскоростных поездов.
Основными задачами исследования являются:
Сравнительный анализ подходов и методов обеспечения функциональной и аппаратной надежности наиболее распространенных систем рассматриваемого класса - числовой кодовой автоблокировки (АБЧК), автоблокировки с тональными РЦ при децентрализованном (АБТ) и централизованном (АБТЦ) размещении аппаратуры, систем автоматической локомотивной сигнализации, применяемых как самостоятельное средство сигнализации и связи (АЛСО).
Разработка обобщённой вероятностной модели надёжности систем ИРДП различных типов, в том числе резервированной системы, а также методики расчета коэффициентов готовности и времени простоя систем при отказах
7 для участков железных дорог разной протяженности и для разных вариантов соотношения параметров потока отказов и времени восстановления функциональных и конструктивных узлов системы.
Разработка математической модели взаимного влияния смежных рельсовых цепей, разделенных изолирующими стыками, и инженерной методики нормирования сопротивления изолирующих стыков, разделяющих смежные рельсовые цепи.
Разработка принципов построения и технических решений для резервированной системы ИРДП и увязки этой системы с системами электрической централизации (ЭЦ) различных типов.
Основные методы научных исследований. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы, базирующиеся на теории надежности, теории электрических цепей, теории вероятностей и математической статистики.
Достоверность научных положений обусловлена корректностью исходных математических положений, обоснованностью принятых допущений, представительностью статистических данных и подтверждена результатами внедрения разработанных на базе научных положений диссертации технических решений.
Научную новизну диссертационной работы представляют следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:
Разработана обобщенная вероятностная модель систем ИРДП на базе комплексного показателя — коэффициента готовности.
Разработана вероятностная модель резервированной системы ИРДП.
Разработана математическая модель взаимного влияния смежных РЦ через разделяющие их изолирующие стыки.
Разработана методика нормирования предотказной и предельно допустимой величины сопротивления изолирующих стыков для рельсовых цепей любого типа.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
1. Разработанная резервированная система ИРДП, в которой в качестве основной применена система АЛСО с тональными РІД, а в качестве резервной — АЛСО на базе кодовой автоблокировки, внедрена на участке Бугач — Ба-заиха Красноярской железной дороги и показала высокую эксплуатационную надёжность.
2; Разработанные методы расчета функциональной и аппаратной надежности систем ИРДП являются методической базой для определения эффективных вариантов резервирования этих систем на конкретных участках железных дорог.
Разработана методика нормирования пред отказного состояния и определения границ допуска сопротивления изолирующих стыков, разделяющих РЦ, обеспечивает возможность определения уровней срабатывания контрольных устройств в современных системах автоматического контроля и удаленного мониторинга и расширяет область применения наиболее прогрессивного метода технического обслуживания устройств — "по состоянию".
Основные теоретические положения и математические модели, а также результаты практической реализации результатов работы используются в учебном процессе для студентов специальности 190402 "Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте" при изучении дисциплины "Автоматика и телемеханика на перегонах" и "Основы теории надёжности", а также при курсовом и дипломном проектировании на кафедре "Автоматика и телемеханика" ИрГУПС.
Апробация работы. Основные положения работы и её результаты докладывались и одобрены на: II Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы энергетики, энергоресурсосбережение" (Самара, 2004); X Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика'* (Красноярск, 2004), на Первой международной научно-практической конференции "Ав-
9 томатика и телемеханика на железнодорожном транспорте. ТрансЖАТ - 2004" (Санкт-Петербург, 2004), на технических советах службы СЦБ Красноярской железной дороги (2000-2002 г.г.), на технических семинарах кафедры "Автоматика и телемеханика" ИрГУПС (2003-2004 г.) и кафедры "Электроснабжение и электрический транспорт" КГТУ (2004 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
Обобщенная вероятностная модель надежности систем ИРДП.
Вероятностные модели надёжности наиболее распространенных на сети железных дорог России и стран СНГ систем ИРДП.
Вероятностная модель резервированной системы ИРДП.
Математические модели взаимного влияния смежных рельсовых цепей через разделяющие их изолирующие стыки.
Методы нормирования предотказной и предельно допустимой величины сопротивления изолирующих стыков для РЦ любого типа.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ (из них 3 - в научно-техническом журнале "Автоматика, связь. Информатика"). Материалы диссертации вошли в отчёты по научно-исследовательской и проектной работам, выполненным институтом Томгипротранс.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (124 наименований). Общий объём диссертации 172 страниц, в том числе 154 страниц основного текста, включая 28 рисунков и 8 таблиц, и 18 страниц приложений: П1 (9 табл.), П2 (13 рис.).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В ведении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи научных исследований работы, указаны научная новизна и практическая ценность диссертации; определены основные положения, выносимые на защиту; а также дана информация о внедрении и апробации работы.
В первой главе проведён анализ надежности систем ИРДП и устройств, их составляющих, в условиях эксплуатации, а также выполнен анализ влияния рассматриваемых отказов на потери в поездной работе и на эксплуатационные расходы хозяйства сигнализации и связи и смежных хозяйств. Проанализированы направления развития систем ИРДП и методов обеспечения требуемого уровня их надежности.
Выполнен анализ особенностей структур современных релейных систем ИРДП как самых распространенных в настоящее время на сети железных дорог России и стран СНГ. Разработаны функциональные схемы этих систем.
Одним из самых эффективных, но и одним из самых дорогих путей повышения надежности систем ИРДП является резервирование отдельных устройств. Показано, что повышение требований к надежности этих систем, вызванное растущими потерями от их отказов на участках с высокой интенсивностью движения поездов, обусловили необходимость поиска новых путей повышения их надежности, в том числе за счет резервирования систем.
Вторая глава посвящена разработке вероятностных моделей надёжности систем интервального регулирования движения поездов. Выведены расчётные формулы для вычисления коэффициентов готовности систем ИРДП и элементов в системах для всех рассматриваемых типов для случаев, когда параметры надёжности отдельных элементов можно усреднять в масштабах расчётного участка железной дороги или сети железных дорог. Приведён анализ надёжности рассматриваемых систем при трёхблочном разделении поездов на условном двухпутном перегоне, одинаковом для всех систем. При этом вычислены коэффициенты готовности и время простоя. Выполнен сравнительный анализ систем ИРДП по найденным численным данным показателей их функциональной и аппаратной надёжности.
В третьей главе разработана вероятностная модель надёжности резервированной системы ИРДП, в которой в качестве основной применена система АЛСО с централизованным размещением аппаратуры на базе автоблокировки с
ТРЦ, а в качестве резервной АЛ С О с централизованным размещением аппаратуры на базе кодовой автоблокировки. Модель обеспечивает формализацию задачи определения влияния резервирования на изменение как аппаратной, так и функциональной надёжности СИРДП.
В четвёртой главе разработана математическая модель изолирующих стыков, разделяющих рельсовые цепи, оборудованные ДТ. Получены схемы замещения четырёхполюсника изолирующих стыков и математические выражения, позволяющие рассчитать величину сопротивления элементов такого четырёхполюсника, а также коэффициенты четырёхполюсника А-формы для симметричных и несимметричных рельсовых цепей.
Синтезирована схема замещения смежных РІД с ДТ, разделённых изолирующими стыками, на основе которой разработана схема четырёхполюсника изолирующих стыков, выведены формулы расчёта сопротивлений и коэффициентов Y-формы и А-формы для этих четырёхполюсников. Разработан метод определения границы допуска сопротивления изолирующих стыков.
В пятой главе разработан концептуальный аспект и сформулированы принципы построения структуры системы РИРДП при бессигнальной автоблокировке, систем сигнализации выходных светофоров станций ЭЦ с АЛСО и АЛСО с УЭЦ-М. Разработаны технические решения, принцип работы РЦ в системе РИРДП при резервировании системы АЛСО и принципиальные схемы.
В результате выполненной на дороге модернизации СЖАТ экономический эффект составил 860 тыс. руб.
Состояние и направления развития систем интервального регулирования движения поездов
Успешность выполнения технологических операций перевозочного процесса в значительной степени зависит от технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), которые выполняют существенную часть функций на всех уровнях организационно-технической структуры управления перевозочным процессом.
В настоящее время железные дороги Российской Федерации (РЖД) имеют высокий уровень оснащённости техническими средствами ЖАТ: системами электрической централизации (ЭЦ) оборудованы 136,3 тыс. всех действующих на сети стрелок (75,7%); автоблокировкой (АБ) - 62,3 тыс. км (72%); системами диспетчерской централизации (ДЦ) — 24,7 тыс. км (28%) и диспетчерского контроля (ДК) - 31,2 тыс. км (49%), системами съёма и передачи данных (СПД-ЛП) - 16,1 тыс. км (19%) эксплуатационной длины линий железных дорог.
Нормативный срок службы для систем ЭЦ и ДЦ - 15 лет, для систем АБ и автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) — 20 лет. Из-за недостаточного финансирования программы обновления технических средств в настоящее время 70% систем ЖАТ полностью амортизировано, в том числе 39% - систем АБ.
Разработанная концепция развития средств ЖАТ предполагает создание на их базе необходимой инфраструктуры для обеспечения централизации управления перевозочным процессом; переход на новую элементную базу, обеспечивающую качественное изменение показателей хозяйства в сторону снижения материал о-, энерго- и трудоёмкости; повсеместное внедрение средств контроля и диагностики для перехода на прогрессивные ремонтно-восстановительные методы обслуживания аппаратуры; приведение технической оснащённости каждой линии в соответствие с её категорийностью и требуемыми объёмами перевозок [47-49, 59].
Оборудование техническими средствами ЖАТ линий различных категорий должно определяться и интенсивностью движения, и требованиями минимизации эксплуатационных расходов. В зависимости от категории линии должны определяться соответствующий набор технических средств, наиболее эффективные проектные решения и технологическое обеспечение для технического обслуживания устройств. В этом направлении на базе типового интерфейса систем управления разработаны микропроцессорные системы ДЦ и ДК (Диалог, Сетунь, АПК-ДК и др.) [26]. МПЦ Ebilock совместила в себе функции управления стрелками и сигналами на станции и централизованной автоблокировки. Телеуправление удалёнными объектами и решение задач релейно-процессорной централизации (РПЦ) выполняют системы телеуправления малодеятельными станциями (ТУМС) и системы Диалог-Ц, Диалог-МС [47].
Динамика модернизации систем интервального регулирования движения поездов (ИРДП) за последние годы показана на диаграмме (рис.1.1) [44]. При эксплуатационной длине железных дорог России, равной 86 151 км (100%) в 1999 году системами АБ было оборудовано 62 278 км (72,3%). Из них 61,7% - числовой кодовой автоблокировкой (АБЧК) (цифры 1 и 2 на рис 1.1, а) и 10,6% системой АБ с тональными рельсовыми цепями (ТРЦ) и централизованным размещением аппаратуры (цифра 3 на рис 1 Л, а). Системами полуавтоматической блокировки (ПАЕ) было оборудовано 24,4% перегонов по их протяженности, другими системами ИРДП - 3,3% (цифры соответственно 4 и 5 на рис 1.1, а).
В 2004 году систем АБЧК осталось 48,8% (цифры 1 и 2 на рис 1.1,6), системы АБ с ТРЦ при централизованном (АБТЦ) и децентрализованном (АБТ) размещении аппаратуры увеличились до 20% (цифры 3 на рис 1.1, б). Замена АБ на ПАЕ со счетчиками осей составила 12,2% (цифра 5 на рис 1.1, б) ПАБ с наложением систем ДЦ составляла 1,7%, а без ДЦ — 12,2% (цифры 6 и 7 на рис. 1.1,6). Остальные системы ИРДП составляли 4,1% (цифра 8 нарис 1.1, б).
Разработаны новые системы на микропроцессорной основе: АБ-Е1 [66], АБ-Е2 [68], АБ-УЕ [10], АБТЦ-М [43, 44], АБ с центральным размещением аппаратуры на базе управляющего вычислительного комплекса УВК-РА, интегрированная в устройствах МПЦ [63], электронная система КЭБ [11], квазиэлектронная числовая кодовая АБ [80], микропроцессорная система числовой кодовой автоблокировки (АБ-ЧКЕ) [67].
Для сокращения напольных устройств ЖАТ на малодеятельных участках в ряде случаев предусматривает замена автоблокировки на ПАБ, а на участках с интенсивным движением — переход на системы с бессветофорной сигнализацией (АЛСО) [90]. В последнем случае на каждые 100 км пути сокращается до 200 сигнальных точек с релейными шкафами, дроссель-трансформаторами, устройствами основного и аварийного энергоснабжения. В настоящее время на сети дорог стран СНГ в эксплуатируется более 200 тыс. км линий, оборудованных АЛСО [79].
Внедрение АБ с бесстыковыми РЦ на перегонах и станциях сокращает затраты на обслуживание верхнего строения пути в среднем на 0,8 млн. руб. в год на каждые 100 км пути и позволяет обеспечить электромагнитную совместимость с новым подвижным составом, а также снизить расход электроэнергии при использовании бесколлекторных двигателей на 8...10%. Ежегодно внедряется не менее 3 тыс. рельсовых цепей тональной частоты на станциях [20].
Применение централизованных вариантов автоблокировки без проходных светофоров дополнительно решает проблему защиты от порчи и краж медесо-держащих элементов на пути. Кроме того, отсутствие изолирующих стыков позволяет на качественно новом уровне решать проблему канализации тягового тока [31, 36, 68, 89].
Внедрение автоблокировки типа АБТЦ позволило: повысить производительность труда за счёт увеличения межремонтных сроков аппаратуры РЦ; повысить надёжность за счёт исключения изолирующих стыков и ненадёжных элементов аппаратуры импульсных РЦ; улучшить условия труда, так как на перегонах практически нет аппаратуры. Достоинством системы является её высокая защищённость от атмосферных и электротяговых перенапряжений. Однако после внедрения АБТЦ фиксируются случаи, когда на проходном светофоре горит разрешающий огонь, а на локомотивном — красный. Несовершенной оказалась и схема кодирования РЦ - это возникновение дуги на контактах транс-миттерных реле и отключение питающей аппаратуры из-за перегрузок, т. е. прекращение кодирования РЦ. Система АБТЦ очень дорога из-за большого расхода кабельной продукции.
Обобщённая вероятностная модель надёжности систем интервального регулирования движения поездов
Разработка действенных мер по обеспечению требуемого уровня аппаратурной и функциональной надежности любых технических объектов невозможна без знания структуры объекта с точки зрения его надежности, а также знания количественных показателей надежности элементов системы.
В теории надежности для построения вероятностей моделей сложных систем широко используется математический аппарат марковских и полумарковских управляемых процессов, теории множеств и нечетких множеств [8,9,35,96]. Однако эти модели не всегда удобны для проведения инженерных расчетов и анализа надежности систем ИРДП [115].
Главная цель работ по обеспечению требуемого уровня надежности СИРДП - минимизировать влияние их отказов на управляемый процесс [48,54,109,113]. Поэтому необходимо добиваться минимизации интенсивности отказов и времени восстановления работоспособности отказавших устройств.
Учесть обе эти стороны надежности позволяет такой показатель, как вероятность нахождения объекта в работоспособном состоянии в произвольно выбранный момент времени кроме планируемых периодов, в течение которых объект по назначению не применяется — коэффициент готовности. При этом рассматривается установившийся процесс эксплуатации. Этот же комплексный вероятностный показатель надежности СИРДП позволяет достаточно полно оценить и функциональную надежность рассматриваемых систем, то есть надежность выполнения функций по управлению процессом движения поездов при обеспечении требуемого уровня безопасности процесса.
Время восстановления работоспособности Тв систем ИРДП достаточно велико и находится для разных устройств системы и для разных участков железных дорог в среднем в пределах 1,5-6,0 часов.
Такой большой разброс продолжительности времени восстановления объясняется двумя причинами. Первая причина заключается в том, что основную часть времени восстановления занимает время в пути к месту отказа, которое зависит от расстояния до этого места от места дислокации обслуживающего персонала, а также от обеспеченности персонала транспортными средствами. Вторая причина —это большой разброс в длительности обнаружения причины и места отказа токопроводящих стыков рельсовой линии или места ее закорачивания, а также в большой длительности времени восстановления работоспособности изолирующих стыков в летнее время, когда приходится ждать снижения температуры рельсов и соответствующего уменьшения сил давления рельсов на стык.
Интенсивность отказов используется в качестве показателя безотказности для невосстанавливаемых объектов. Для восстанавливаемых объектов вместо него в теории надежности используют другой показатель — параметр потока отказов.
В восстанавливаемых СЖАТ соблюдаются необходимые и достаточные условия существования простейшего потока отказов, как для постепенных, так и для внезапных отказов [116]. Это позволяет при оценке отказов надежности отдельного элемента использовать экспоненциальное распределение времени между отказами F(t)=l - ehи экспоненциальный закон распределения времени восстановления FB(t) l - е . А для данного закона надежности понятие "ин 37 тенсивность отказов" и "параметр потока отказов" можно не разделять. Поэтому в дальнейшем как для восстанавливаемых, так и для невосстанавливаемых объектов будем использовать понятие "интенсивность отказов".
Анализ известных методов моделирования сложных технических систем для оценки их надежности, а также анализ конструктивных особенностей релейных [29,30,36,44,48], релейно-процессорных [26,45,50,67], микроэлектронных [11,63,80] и микропроцессорных [10,43,63,66,68,127] СИРДП показал, что в инженерных расчетах надежности достаточно удобны вероятностные модели надежности [16,23] при делении систем на функциональные узлы. Эти модели позволяют описывать с единых позиций системы ИРДП, различающиеся конструктивными особенностями и функциональными возможностями.
Анализ надежности сложной технической системы, к которой относится кодовая автоблокировка, требует разделения ее на части, не всегда совпадающие с конструктивной структурой системы. Объясняется это тем, что при расчетах надежности требуется учитывать не только конструктивные особенности системы, но и функциональное назначение подсистем, входящих в систему.
Разработанная обобщенная вероятностная модель надежности системы ИРДП для участка железной дороги, разделенного на п блок-участков, по которым движется т поездов, представлена нарис. 2.1. При этом считается, что отказ любого устройства приводит к отказу всей системы. Поскольку системы ИРДП работают непрерывно во времени, в них должны учитываться и все скрытые отказы устройств [121].
Модель для облегчения её пользования в задачах расчета и анализа надежности систем ИРДП разбита на шесть контуров. Контур 1 - напольные светофоры с кабелями, на которые непосредственно движутся поезда. Контур 2 -устройства, обеспечивающие формирование и передачу на локомотивы сигналов АЛСН. Контур 3 включает в себя устройства дешифрации сигналов, несущих информацию о состоянии лежащих впереди блок-участков, а также устройства управления огнями светофоров, на которые непосредственно движутся поезда. Контур 4 - остальные светофоры с устройствами управления их огнями и соответствующими кабельными линиями.
Пути повышения надёжности систем ИРДП
Рельсовые линии в системах ИРДП используются как датчики свободности или занятости участков пути, для передачи информации на головной локомотив поезда, а также при кодовых рельсовых цепях, для передачи информации на сигнальную точку о свободности или занятости впереди лежащих блок-участков. При этом величины продольного и поперечного сопротивлений определяют степень затухания электрических сигналов в рельсовых линиях [15], а величина сопротивления изолирующих стыков, разделяющих смежные РЦ, определяет степень их взаимного мешающего влияния [110,111]. Надёжность изолирующих стыков невысока, и на их долю приходится до 25% отказов рельсовых цепей [106,112,126]. В ТРЦ для разделения смежных РЦ используются частотные признаки сигналов, но от станционных РЦ перегоны отделяются тоже изолирующими стыками.
Асимметрия продольных и поперечных сопротивлений рельсовой линии является одной из главных причин неустойчивой работы автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (АЛСН) на электрифицированных участках железных дорог [1,18,38,64]. При этом рост асимметрии сопротивления изолирующих стыков вызывает увеличение уровня помех, как на путевом приемнике рельсовой цепи, так и на локомотивном приемнике системы АЛСН [69,117,119,122,124].
Удельное сопротивление изоляции рельсовой линии нормируется на уровне 1,0 Ом-км в РЦ постоянного тока и в РЦ с частотой сигнального тока 25, 50 и 75 Гц. Тональные РЦ значительно короче, чем указанные выше, поэтому они могут устойчиво работать и при меньших сопротивлениях изоляции [20,21, 32,37]. Продольное сопротивление рельсовой линии определяется сопротивлениями то ко проводящих стыков и также нормируется. Величина нормативного сопротивления зависит от частоты сигнального тока РЦ [31,42,100].
Сопротивление изолирующих стыков, разделяющих электрические РЦ, нормируются в пределах 30-50 Ом на один стык [5,33,87]. На изолирующие стыки приходится до четверти и больше отказов РЦ [112,125], а время восстановления их может быть 3-4 часа и больше [113]. Определяется большая продолжительность времени восстановления сложностью диагностирования уровня сопротивления изолирующих стыков, а в летнее дневное время и длительностью времени восстановления, если из-за нагрева рельсов в стыках возникают большие сжимающие усилия. Поэтому весьма актуально определение предот-казного состояния изолирующих стыков.
Современные микропроцессорные системы диспетчерского контроля АЛК-ДК, АСДК, АДК контролируют состояние каждого изолирующего стыка [17]. Такой контроль позволяет перейти к самому прогрессивному методу технического обслуживания — по состоянию [49,71,118]. Своевременное выполнение профилактического ремонта этих стыков при получении информации о достижении стыком предотказного состояния сокращает не менее, чем в 2 раза количество их отказов, что составляет 12,5% от отказов РЦ или 15% от отказов рельсовых линий. Однако такой контроль требует достаточно строгого определения предотказной величины сопротивления изолирующих стыков. Решению этой задачи посвящена настоящая глава. Следует отметить, что задача должна решаться с учётом того, что РЦ с дроссель-трансформато-рами более чувствительны к снижению сопротивления изолирующих стыков.
Влияние мешающего сигнального тока из РЦ на смежную цепь через разделяющие их изолирующие стыки (НС) зависит от степени несимметричности рельсовых линий и от коэффициента поверхностной проводимости р, величина которого колеблется от 1,8 (деревянные шпалы и щебёночный балласт) до 9,1 (железобетонные шпалы и щебёночный балласт) [14]. Увеличение коэффициента р приводит к уменьшению степени влияния несимметричности рельсовой цепи на условия протекания сигнального тока через изолирующие стыки в смежную РЦ. В схеме приняты следующие условные обозначения: rPI rP2 — активные удельные сопротивления одиночных рельсов; gPl, gP2 - удельные проводимости заземления рельсовых нитей; і{,і2 токи в первой и второй рельсовых нитях; f/,,[72— напряжения первой и второй рельсовых нитей относительно земли; LPJ, LP2— удельная индуктивность однопроводных цепей "рельс — земля" с учётом их внешней индуктивности, внутренней индуктивности цепей рельсовой нити и индуктивности стыковых соединителей.
Используя методику решения выражений (4.1) [40,53,60], получим формулы, позволяющие определить ток и напряжение в любой точке линии по их значениям в начале линии: Если известны значения напряжения 0т и тока ІК} в конце (на релейной стороне РЦ) линии, то уравнения (4.2) примут вид: U{ = (JKxchyxx + lKXZmshyxx\ 0т . . . \ (4-2 U = —rLshy]x + lKxchyxx. (4.3) В уравнениях (4.2, 4.3): ZBi— волновое сопротивление однопроводной цепи "рельс- земля"; /; - коэффициент распространения волны. Связь между вторичными параметрами симметричной рельсовой цепи и составляющих её однопроводных цепей "рельс — земля" при малой величине коэффициента поверхностной утечки: 2в = 2ZB! = 2ZB2; у = Г]=у2. (4.4)
Уравнения (4.2, 4.3) представляют собой уравнения четырёхполюсника в А-форме. Постоянные этого четырёхполюсника при д: = / соответственно равны: A = D = chy]l\ B = Zmshyll\ C = shylUZm, (4.5) где / длина рельсовой цепи.
При этом, как и для всякого пассивного четырёхполюсника, AD - ВС = ch2yj - sh2y}l = 1. Представим несимметричную РЦ в виде двух симметричных Т-образных схем, соединённых последовательно (рис. 4.2) [107]. В схеме приняты следующие условные обозначения: Z\,Z2 — полное сопротивление первой, второй однопроводнои цепи "рельс - земля" переменному току; Z], Z"2 — удельное активное сопротивление однопроводнои цепи между первым и вторым рельсом и землёй; 2П— поверхностная проводимость изоляции между рельсами.
Требования к электрическим параметрам рельсовой линии как элемента рельсовых цепей
Проанализируем процесс взаимного влияния в РЦ с дроссель-трансформаторами, используя схему замещения по концам РЦ, в которой путевой дроссель-трансформатор (ДТ) представлен в виде эквивалентной схемы, состоящей из идеального ДТ, Т- образной схемы замещения и идеального трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации [14]. Элементами Т-образной схемы замещения учитываются потери в меди дополнительной и основной обмоток ДТ, а также потери вследствие магнитного рассеяния и потери за счёт перемагничивания сердечника.
Для удобства анализа преобразуем полученную схему замещения четырёх 107 полюсника изолирующих стыков (рис. 4.5), из которой видно, что включение ДТ заметно усложняет четырёхполюсник изолирующих стыков. В схеме приняты следующие условные обозначения: Еэ ЭДС эквивалентного генератора;
ZBH - входное сопротивление аппаратуры в начале рельсовой линии, подключенной к идеальному DT; Z BU - обратное входное сопротивление аппаратуры в начале рельсовой линии, подключенной к идеальному DT; ZBK — входное сопротивление аппаратуры в конце рельсовой линии, подключенной к идеальному DT; DTK,DTH - обмотки идеальных трансформаторов.
Далее сделаем некоторые упрощения: обмотки идеальных ДТ представим индуктивными элементами с сопротивлением Z (сопротивлениями ZKBX} и ZHBX 2 можно пренебречь без особой потери точности анализа процесса передачи электроэнергии через изолирующие стыки в путевой приёмник смежной РЦ), а также вместо DTKl и DTH2 с параллельно присоединёнными к ним ZBKi и Z BH2 используем их эквивалентные входные сопротивления аппаратуры релейного конца ZBKl и обратное входное сопротивление аппаратуры питаю 10S ще го конца Z Bfi2 с учётом реальных ДТ на этих концах, а также отбрасываемых сопротивлений ZKBX j и ZHBX 2 После этих преобразований схема четырёхполюсника изолирующих стыков примет вид, показанный на рис. 4.6. Используя схемы (рис. 4.4, 6) и (рис. 4.6)t можно представить четырёхполюсник изолирующих стыков в РЦ с ДТ в виде более простого четырёхполюсника (рис. 4.7). При этом сопротивление каждого из изолирующих стыков представлено как параллельное соединение двух сопротивлений. Значения сопротивлений Zj Z5 в этой схеме в зависимости от параметров смежных РЦ могут быть найдены по полученным ранее формулам (4.19)-(4.23) в несимметричных РЦ и по формулам (4.24)-(4.26) в симметричных РЦ.
Анализ полученной сложной электрической цепи (рис. 4.7) показывает, что найти коэффициенты такого четырёхполюсника можно, представив его как параллельное соединение двух четырёхполюсников (рис. 4.8).
Зная матрицу каждого такого четырёхполюсника, можно найти матрицу сложного четырёхполюсника, используя известные правила [41,107], которые справедливы только для регулярных соединений четырёхполюсников.
Это может вызвать появление уравнительных токов между четырёхполюсниками [40]. В то же время соотношение сопротивлений изолирующих стыков, составляющих пару на границе двух смежных РЦ, на условия регулярности соединения четырёхполюсников, изображённых нарис. 4.8, влияния не оказыва ет.
Применение матриц в рассматриваемом случае параллельного включения четырёхполюсников возможно только в симметричных РЦ или близких к ним. Но, учитывая простоту полученных четырёхполюсников и их близость к физической картине процесса передачи электроэнергии из РЦ в смежную через изолирующие стыки, первое приближение коэффициентов четырёхполюсника изолирующих стыков для общего случая несимметричных РЦ, оборудованных ДТ, можно получить из известных матриц четырёхполюсников, соединённых параллельно и показанных нарис. 4.8.
По разработанной на основании теоретических положений главы 4 методике были выполнены расчёты для определения предельно допустимых минимальных значений сопротивления изолирующих стыков в перегонных и станционных РЦ.
Результаты расчётов показали, что появление асимметрии сопротивления изолирующих стыков резко увеличивает взаимное влияние смежных РЦ. Уменьшение коэффициента асимметрии ка от 1 до 0 в перегонных РЦ с дроссель-трансформаторами приводит к уменьшению сопротивления передачи изолирующих стыков в десятки раз. Например, при сопротивлении одного изолирующего стыка 30 Ом и закороченном другом изолирующем стыке модуль сопротивления передачи изолирующих стыков при длине смежных РЦ 2,5 км не превышает 0,29 Ом.
В качестве примера полученных зависимостей величины нормативного сопротивления изолирующих стыков от величины предельного значения влияющего на путевой приёмник напряжения при коэффициенте асимметрии, равном единице, парне. 4.9 приведены графики для перегонных РЦ длиной 2,5 км и 2,0 км. Анализ этих зависимостей показывает, что с увеличением длины перегонных РЦ растет их взаимное влияние через изолирующие стыки. Объяснить это можно, прежде всего, рабочим напряжением на рельсах питающего конца РЦ с увеличением её длины.
