Содержание к диссертации
Введение
1 Определение параметров электромагнитной; совместимости тягового подвижного состава с устройствами рельсовых цепей и АЛС 17
1.1 Определение первичных параметров рельсовой линии 17
1.1.1 Расчёт электрического сопротивления рельсов 18
1.1.2 Определение сопротивления изоляции рельсовой линии 25
1.1.3 Измерение первичных параметров рельсовой линии.. 29
1.2 Расчёт распределения гармонических составляющих тягового токаш рельсовой линии 45
1.2.1 Расчёт распределения при электрической тяге постоянного тока...47
1.2:2 Расчёт распределения при электрической тяге переменного тока. 62
1.2.3 Экспериментальная проверка распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии 70
1.3 Определение коэффициентов асимметрии рельсовой линии для тягового токаи его гармонических составляющих 92
1.3.1 Расчёт коэффициентов продольной асимметрии... 93
1.3.2 Расчёт коэффициентов поперечной асимметрии... 103
1.3.3 Определение коэффициентов асимметрии для рельсовых цепей и устройств АЛС 109
1.3.4 Оценка воздействия асимметрии обратного тягового тока на работу рельсовых цепей и устройств АЛС. 114
1.3.5 Измерение асимметрии обратного тягового тока в,условиях эксплуатации 116
1.4 Выводы . 118
2 Определение уровней помехоустойчивости приёмных устройств рельсовых цепей и АЛС 120
2.1 Обзор эксплуатируемых рельсовых цепей и систем АЛС 120
2.2 Оценка допустимых уровней гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии 126
2.2.1 Оценка допустимых уровней помех в рельсовой линии для рельсовых цепей при электрической тяге постоянного тока 127
2.2.2 Оценка допустимых уровней помех в рельсовой линии для рельсовых цепей при электрической тяге переменного тока 140
2.2.3 Оценка допустимых уровней помех в рельсовой линии для устройств АЛСНиАЛС-ЕН 145
2.2.4 Оценка допустимых уровней помех в рельсовой линии с использованием вероятностных методов 149
2.3 Выводы 162
3 Определение допустимых значений гармонических составляющих тока тягового подвижного состава 163
3.1 Определение выражений для расчёта допустимых значений гармонических составляющих тока подвижного состава 163
3.1.1 Вывод формул для двухниточных рельсовых цепей и АЛС 163
3.1.2 Вывод формул для однониточных рельсовых цепей 166
3.2 Определение нормативов ЭМС 173
3.2.1 Определение нормативов ЭМС для тягового подвижного состава при электрической тяге постоянного тока 175
3.2.2 Определение нормативов ЭМС для тягового подвижного состава при электрической тяге переменного тока 178
3.3 Особенности воздействия гармонических составляющих тока тягового подвижного состава на устройства автоматической локомотивной сигнализации и анализ сбоев в работе системы АЛС 182
3.4 Методика измерений параметров электромагнитной совместимости при испытаниях тягового подвижного состава 195
3.5 Выводы 198
4 Обеспечение условий электромагнитной совместимости и электробезопасности тягового подвижного состава с централизованным электроснабжением вагонов 199
4.1 Принципы построения систем централизованного электроснабжения вагонов пассажирских поездов 199
4.2 Определение параметров системы централизованного электроснабжения вагонов 207
4.3 Компьютерное моделирование двухпроводной системы централизованного электроснабжения с заземлённой цепью канализации обратного тока 220
4.4 Выводы 224
Заключение 226
Список использованных источников 229
- Экспериментальная проверка распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии
- Оценка допустимых уровней помех в рельсовой линии для рельсовых цепей при электрической тяге постоянного тока
- Определение нормативов ЭМС для тягового подвижного состава при электрической тяге переменного тока
- Определение параметров системы централизованного электроснабжения вагонов
Введение к работе
Системы регулирования движения поездов на железнодорожном транспорте используются как на перегонах, так и на станциях. Эти системы обеспечивают безопасность движения и оперативное руководство перевозочным процессом, позволяют увеличить пропускную и провозную способность железных дорог, эффективность использования всех технических средств железнодорожного транспорта, особенно локомотивов и вагонов, а также улучшить условия труда работников, связанных с движением поездов. От надёжности работы этих устройств во многом зависит безопасность и бесперебойность движения поездов.
Значительный вклад в развитие теории систем интервального регулирования движения поездов (ИРДП) с помощью средств автоматики и телемеханики внесли известные учёные И.В. Беляков, П.Ф. Бестемьянов, A.M. Брылеев, И.Е. Дмитренко, B.C. Дмитриев, И.М. Кокурин, Н.Ф. Котляренко, Ю.А. Кравцов, В.М. Лисенков, В.А. Минин, Б.Д. Никифоров, Н.Ф. Пенкин, А.С. Переборов, Е.Н. Розенберг, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Ю.В. Соболев, Н.М. Фонарёв, Д.В. Шалягин, В.И. Шаманов, В.И. Шелухин, О.И. Шелухин, А.В. Шишляков, А.А. Явна и другие.
Основными системами регулирования движения поездов являются автоблокировка, электрическая и диспетчерская централизация, автоматическая локомотивная сигнализация, переездная сигнализация, а также устройства автоматики сортировочных горок. Системы ИРДП непрерывно развиваются и совершенствуются на основе использования современных достижений науки и техники. На железнодорожном транспорте внедряются современные высокопроизводительные технические средства на новой элементной базе, повышается эффективность использования технических средств, совершенствуются технология обслуживания и организация перевозочного процесса.
Основным элементом всех перечисленных систем железнодорожной автоматики являются рельсовые цепи (РЦ). РЦ в значительной степени определяют надёжность работы систем регулирования и безопасность движения поездов. Отказы в работе РЦ приводят к значительным сбоям в движении поездов, усложняют работу работникам службы движения, способствуют возникновению аварийных ситуаций.
Нормально замкнутые рельсовые цепи впервые были разработаны и применены в 1872 году, и вот уже более 130 лет продолжается их внедрение и эксплуатация на железных дорогах различных стран мира. Многочисленные попытки заменить рельсовую цепь другим средством определения движущего подвижного состава до настоящего времени не дали ожидаемых результатов.
Рельсовые цепи выполняют ответственные функции в системах регулирования движения поездов: обеспечивают непрерывный контроль свободности и занятости путевых участков на станциях и перегонах, автоматический контроль электрической целостности рельсовых нитей, используются в качестве телемеханического канала связи между путевыми устройствами и между путевыми и локомотивными устройствами, обеспечивают связь между показаниями путевых и локомотивных светофоров, исключают перевод стрелок под составом и др. Различные условия работы и широкие возможности использования РЦ в системах железнодорожной автоматики и телемеханики привели к тому, что в настоящее время на сети магистральных железных дорог России применяют более 30 типов и 800 разновидностей РЦ. Общее количество эксплуатируемых РЦ в России превышает 250 000 [1, 2, 3].
Вместе с тем, рельсовые цепи имеют ряд недостатков, снижающих их эксплуатационно-техническую эффективность. Основными недостатками в работе РЦ являются: зависимость их работы от состояния верхнего строения пути (балласта, шпал, рельсовых соединителей, перемычек и других элементов) и климатических условий; ухудшение шунтового эффекта при загрязнении поверхности рельсов и колёсных пар; значительные затраты на обслуживание.
С возрастанием скоростей и интенсивности движения поездов повышаются требования к рельсовым цепям. Широкое внедрение электрической тяги, повышение тяговых токов при движении тяжеловесных и высокоскоростных поездов, применение нового типа подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями, повышенные уровни помех от электроподвижного состава (ЭПС), необходимость заземления металлических конструкций на рельсовую сеть, снижение сопротивления изоляции рельсовых нитей относительно земли и ряд других факторов существенно усложнили условия работы рельсовых цепей. Поэтому ведутся работы по совершенствованию схем РЦ и созданию таких устройств, которые могли бы заменить рельсовые цепи [1, 4, 5, 6].
Работа рельсовых цепей основана на передаче сигнального тока от передатчика (генератора) к приёмнику по рельсовой линии. В то же время, на электрифицированных участках железных дорог рельсы являются проводником обратного тягового тока от электроподвижного состава к тяговым подстанциям. На участках с автономной тягой по рельсам может осуществляться возврат обратного тока централизованного электроснабжения» (ЦЭС) пассажирских вагонов от тепловоза. Присутствующие в обратном токе, протекающем по рельсам, гармонические составляющие в рабочих полосах частот могут оказывать мешающее и опасное влияние на аппаратуру рельсовых цепей.
Мешающее влияние связано с явлением «ложной занятости» РЦ при её фактическом свободном от подвижного состава состоянии, что приводит к невозможности автоматического перевода стрелок и открытия сигналов, перекрытию светофоров на запрещающее показание, т.е. возникают сбои в движении поездов, влияющие на пропускную способность железнодорожных линий. Опасное влияние связано с явлением «ложной свободности» РЦ при её фактической занятости или наличии обрыва рельсовой нити, что приводит к нарушению условий безопасности движения и возникновению аварийных ситуаций (в частности, к крушению поездов, возможности перевода стрелки под составом, открытию светофора на занятый путь).
Вопросы электромагнитной совместимости тягового подвижного состава с устройствами ИРДП являются актуальной проблемой с точки зрения устойчивости и безопасности функционирования устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) и, в первую очередь, устройств, непосредственно контактирующих с цепями канализации обратного тягового тока, к которым относятся рельсовые цепи.
Согласно статистическим данным, за один год на сети железных дорог России в среднем происходит до 15 000 отказов в работе рельсовых цепей. Доля отказов рельсовых цепей от общего количества нарушений нормальной работы устройств ЖАТ достигает 40-50% [3]. Статистика отказов рельсовых цепей по причине воздействия помех от тягового подвижного состава отсутствует, однако следует иметь ввиду, что наиболее характерные отказы (такие как обрыв стыковых соединителей, неисправность дроссельных перемычек и др.) приводят к значительному усилению воздействия помех от тягового подвижного состава на аппаратуру рельсовых цепей вследствие увеличения асимметрии тягового тока.
Исследованию вопросов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) тягового подвижного состава и рельсовых цепей посвящены работы учёных М.П. Бадёра, И.В. Белякова, К.А. Бочкова, А.Н. Костроминова, А.В. Котельникова, Ю.А. Кравцова, В.Б. Леушина, В.М. Лисенкова, Н.Ф. Пенкина, А.П. Разгонова, В.И. Шаманова, А.П. Шишлякова, Е.Г. Щербины и других. Вопросам повышения работоспособности рельсовых цепей и систем автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) в условиях воздействия помех от тягового тока и его гармонических составляющих посвящены диссертационные работы [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15] и многие другие.
Наиболее остро вопросы ЭМС встали в последние годы в связи с разработкой и внедрением на сети железных дорог перспективных типов электроподвижного состава с современными видами тяговых преобразователей, таких как грузовые электровозы переменного тока ВЛ80ТК и 2ЭС5К «Ермак», пригородные электропоезда постоянного тока ЭТ2А, ЭМ4 «Спутник», ЭМ2И,
9 ЭД6, электровозы двойного питания ЭП10, односистемные и двухсистемные высокоскоростные электропоезда ЭВС1 и ЭВС2 «Сапсан» и др.
В настоящее время на железных дорогах Российской Федерации действуют нормативы, изложенные в разделах «Электромагнитная совместимость с устройствами сигнализации и связи» Норм безопасности на железнодорожном транспорте, разработанных ВНИИЖТ и введённых в действие указанием МПС России в 1998 году [16, 17, 18, 19]:
НБ ЖТ ЦТ 01-98 Дизель-поезда;
НБ ЖТ ЦТ 02-98 Тепловозы;
НБ ЖТ ЦТ 03-98 Электропоезда;
НБ ЖТ ЦТ 04-98 Электровозы.
До внесения изменений № 1 в 2003 году, не затронувших раздел ЭМС, указанные Нормы безопасности именовались как Федеральные требования по сертификации на железнодорожном транспорте соответственно ФТС ЖТ ЦТ 01-98, ФТС ЖТ ЦТ 02-98, ФТС ЖТ ЦТ 03-98 и ФТС ЖТ ЦТ 04-98. Настоящие Нормы безопасности распространяются на* весь поставляемый и проектируемый тяговый подвижной состав для сети железных дорог России и используются при проведении сертификации подвижного состава. Требования по ЭМС должны в обязательном порядке включаться в нормативную документацию на подвижной состав, утверждаемую ОАО «РЖД»: Техническое задание, Технические требования и Технические условия. Выполнение установленных требований по ЭМС является необходимым условием обеспечения безопасности движения поездов.
В 2008 году в связи с развитием высокоскоростного движения в России потребовалась переработка и внесение изменений в нормы безопасности НБ ЖТ ЦТ 03-98 на электропоезда. 11 февраля 2009 года приказом Министерства транспорта Российской Федерации № 22 были введены изменения № 2 в НБ ЖТ ЦТ 03-98, в которых регламентируется уровни мешающего влияния электрооборудования электропоезда на рельсовые цепи и путевые устройства сигнализации (Приложение А.38) и определён метод
10 подтверждения соответствия электропоезда предъявляемым требованиям по электромагнитной совместимости.
В соответствии с принятыми изменениями, при проверке соответствия заданным требованиям ЭМС проводятся прямые измерения уровней гармонических составляющих в указанных полосах частот в конфигурации, обеспечивающей максимальную тяговую мощность, во всех эксплуатационных режимах работы электрооборудования, предусмотренных технической документацией на электропоезд.
В НБ ЖТ нормируются допустимые по условиям обеспечения ЭМС с устройствами рельсовых цепей и АЛС эффективные значения гармонических составляющих тока подвижного состава в полосах пропускания приёмных устройств РЦ и АЛС для систем электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ и переменного тока напряжением 25 кВ с частотой 50 Гц.
При составлении этих нормативов предполагалось, что в рельсовой линии протекает весь обратный тяговый ток и его гармонические составляющие от подвижного состава к тяговой подстанции, а значения коэффициентов асимметрии рельсовой линии при оценке параметров мешающего влияния принимались равными 12%, не учитывалось наличие нескольких воздействующих поездов, одновременно движущихся по фидерной зоне.
Результаты испытаний перспективных видов электроподвижного состава показывают, что в ряде случаев имеют место превышения нормируемых допустимых значений уровней гармонических составляющих токов электровозов и электропоездов при отсутствии зарегистрированных сбоев в работе устройств СЦБ по этой причине. Основное несоответствие подвижного состава условиям ЭМС проявляется в области сигнальных частот фазочувствительных рельсовых цепей 25 и 50 Гц при электротяге постоянного тока и сигнальных частот тональных рельсовых цепей ТРЦ-4 4545 и 5555 Гц при электротяге переменного тока.
Как показывает практика испытаний тягового подвижного состава и отдельных приёмных устройств РЦ и АЛС, требуется уточнение действующих нормативов, так как могут иметь место как необоснованные ограничения по уровням возможных формируемых подвижным составом гармонических составляющих тока, так и завышенные значения нормируемых уровней помех. Отказы и сбои в работе устройств СЦБ по причинам несоответствия технических средств условиям ЭМС отрицательно сказываются на качестве перевозочного процесса и приводят к значительным нарушениям графика движения поездов, а в ряде случаев и к нарушению безопасных условий движения.
Целью данной диссертационной работы является научное обоснование методов оценки и обеспечения электромагнитной совместимости тягового подвижного состава с устройствами рельсовых цепей и АЛС.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи: - разработка методов расчёта и экспериментального определения параметров электромагнитной совместимости тягового подвижного состава с устройствами рельсовых цепей и АЛС; - экспериментальная проверка в эксплуатационных условиях результатов теоретических расчётов параметров ЭМС; - определение уровней помехоустойчивости приёмных устройств рельсовых цепей и АЛС; - разработка методики определения допустимых значений гармонических составляющих тока тягового подвижного состава при электрической тяге постоянного и переменного тока с учётом растекания тягового тока в рельсовой сети и влияния нескольких воздействующих поездов на фидерной зоне; - анализ условий обеспечения электромагнитной совместимости и электробезопасности тягового подвижного состава с централизованным электроснабжением вагонов.
В работе использованы методы математического и физического моделирования, численные методы расчётов и анализа, экспериментальные исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории
12 электрических цепей, теории многополюсников, теории цифровой обработки сигналов, математического анализа, теории передачи сигналов, имитационного моделирования. Значительная часть результатов получена с использованием прикладных программ Mathcad 14, FlexPro 7.0, Electronics Workbench 5.12.
Достоверность исследований и научных результатов работы обусловлена корректностью исходных математических положений, обоснованностью принятых допущений, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтверждена результатами математического моделирования.
Научная новизна состоит в следующем: разработаны и экспериментально проверены методы и математические модели для определения параметров ЭМС тягового подвижного состава с устройствами рельсовых цепей и АЛС; определены допустимые значения гармонических составляющих тока подвижного состава с учётом возможного наибольшего влияния на устройства ЖАТ и разработана методика испытаний тягового подвижного состава на электромагнитную совместимость с устройствами СЦБ; разработаны предложения по нормированию значений токов помех с учётом оснащённости устройствами СЦБ конкретных участков обращения подвижного состава; определены и научно обоснованы допустимые значения параметров системы централизованного электроснабжения вагонов для обеспечения условий электромагнитной совместимости и электробезопасности обслуживающего персонала и пассажиров.
Практическая ценность диссертации заключается в том что: - разработаны научно обоснованные и экспериментально проверенные нормативы- электромагнитной совместимости тягового подвижного состава с эксплуатируемыми устройствами рельсовых цепей и АЛС, позволяющих в ряде случаев исключить необоснованно жёсткие требования, предъявляемые к перспективному подвижному составу; - разработана методика измерения асимметрии тягового тока в условиях эксплуатации и методическая база для создания норм содержания рельсовых линий по допустимым значениям асимметрии; - рекомендовано использовать на участках с автономной тягой двухпроводную схему централизованного > электроснабжения вагонов пассажирских поездов от тепловоза с заземлённой цепью обратного тока и определены параметры системы ЦЭС, при которых обеспечивается выполнение условий электромагнитной совместимости с устройствами СЦБ и электробезопасности.
Научные результаты диссертационной работы были использованы: - при выполнении НИОКР по темам «Анализ электромагнитной совместимости устройств СЦБ с электроподвижным составом», «Разработка технических требований и. решений, обеспечивающих электромагнитную совместимость устройств СЦБ, связи, энергоснабжения и тягового подвижного состава» и «Создание современных систем управления движением поездов и обеспечения безопасности движения (КНП-5)»; при разработке Технических требований на совместимую двухпроводную систему централизованного энергоснабжения пассажирских вагонов для эксплуатации на участках тепловозной и электрической тяги, утверждённых Старшим вице-президентом ОАО «РЖД» В.А. Гапановичем; - при проведении испытаний на электромагнитную совместимость с устройствами СЦБ высокоскоростных электропоездов «Сапсан» на экспериментальном кольце ВНИИЖТ ст. Щербинка и на участках Октябрьской и Горьковской ж.д.
Основные положения диссертационной работы и её результаты докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры, на IV Международной научной студенческой конференции «Trans-Mech-Art-Chem» (Москва, 2006 г.), V Международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2010» (Новосибирск, 2010 г.), II Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии»
14 (Липецк, 2010 г.), I Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010 г.) и опубликованы в десяти печатных работах, в том числе три из них — в рецензируемых изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
Во введении приводится обоснование актуальности темы диссертации, формулируются цель работы и задачи исследования, которые необходимо выполнить для достижения поставленной цели.
Первая глава посвящена определению параметров электромагнитной совместимости тягового подвижного состава с устройствами рельсовых цепей и АЛС. Выполнен расчёт первичных параметров рельсовой линии -электрического сопротивления рельсов и сопротивления изоляции рельсовой линии, рассмотрены методы * измерений первичных параметров и изложены результаты экспериментальных исследований. На основании составленной математической модели проведён расчёт распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии при электрической тяге постоянного и переменного тока, изложены результаты экспериментальной проверки распределения тягового тока в условиях реальной эксплуатации. Выполнено определение коэффициентов асимметрии рельсовой линии для тягового тока и его гармонических составляющих для рельсовых цепей и устройств АЛС, проведена оценка воздействия асимметрии тягового тока на работу устройств СЦБ и предложены методы измерения асимметрии в условиях эксплуатации. Громоздкость математических расчётов параметров ЭМС предполагает использование компьютера. В качестве программного обеспечения выбран математический пакет для инженерных расчётов Mathcad 14.
Во второй главе диссертационной работы проводится определение уровней помехоустойчивости приёмных устройств рельсовых цепей и АЛС по
15 условиям мешающего и опасного влияния. Приводится аналитический обзор эксплуатируемых рельсовых цепей и систем АЛС на магистральных железных дорогах России. Рассмотрены особенности воздействия гармонических составляющих на кодовые, фазочувствительные, нефазочувствительные и тональные рельсовые цепи и устройства АЛСН и АЛС-ЕН. На основании выполненных расчётов и результатов экспериментальных исследований производится оценка допустимых уровней помех в рельсовой линии для рельсовых цепей и АЛС при электрической тяге постоянного и переменного тока.
В третьей главе проводится определение допустимых значений гармонических составляющих тока тягового подвижного состава по условиям электромагнитной совместимости с устройствами рельсовых цепей и АЛС. На основе полученных в первой и второй главах результатов определяются нормативы электромагнитной совместимости для тягового подвижного состава. Рассмотрены особенности воздействия гармонических составляющих тока тягового подвижного состава на устройства АЛС и проведён анализ сбоев при приёме сигналов АЛС. Разработана методика измерений параметров электромагнитной совместимости при испытаниях тягового подвижного состава.
В четвёртой главе исследуются вопросы обеспечения условий электромагнитной совместимости и электробезопасности тягового подвижного состава с централизованным электроснабжением вагонов. Рассмотрены существующие системы централизованного электроснабжения вагонов пассажирских поездов и выполнен расчёт параметров системы централизованного электроснабжения. На основании выполненных исследований определяются допустимые значения параметров системы централизованного электроснабжения.
В заключении приведены основные результаты выполненной работы и сделаны соответствующие выводы.
Приложения содержат листинг программы для расчёта параметров электромагнитной совместимости тягового подвижного состава с устройствами РЦ и АЛС в среде Mathcad 14 и результаты моделирования работы двухпроводной схемы централизованного электроснабжения вагонов пассажирских поездов в программе Electronics Workbench 5.12.
Работа выполнена на кафедре «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) с 2007 по 2011 год.
Экспериментальная проверка распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии
Нормативное значение минимального удельного сопротивления изоляции рельсовой линии составляет 1 Ом-км. В расчётах для двухниточных рельсовых цепей согласно НТП СЦБ/МПС-99 [23] принимается ги=10м-км, для однониточных и разветвлённых — ги = 0,5 Ом-км. Кроме того; для отдельных участков расчётные значения сопротивления изоляции могут быть ниже указанных значений, но не менее 0,1 Ом-км. Следует заметить, что нормативные значения сопротивлений изоляции; приняты одинаковыми для линий с деревянными и железобетонными шпалами и с различными типами балласта. Это связано с тем; что с течением времени вследствие загрязнения балластного слоя и ухудшения состояния шпал сопротивление изоляции рельсовой линии снижается и приближается к нормативному значению.
Использование железобетонных шпал создаёт благоприятные условия для протекания электрохимических реакций на границе раздела;металла и бетона; что вызывает снижение сопротивления, изоляции1 рельсовой линии. Для замедления: этих реакций на участках с железобетонными шпалами применяются рельсовые скрепления, с, изолирующими элементами4 между рельсом?и шпалой.
Многолетним опытом эксплуатации рельсовых цепей; установлено [2, 20; 21, 26]; что при слабом загрязнении балласта и старых деревянных шпалах минимальные удельные сопротивления изоляции при использовании различных материалов балласта находятся в следующих пределах:
- для щебёночного — 2 Ом-км; -для гравийного— 1,5 Ом-км; . -для песчаного —У. Ом-км. Сопротивление изоляции зависит от состояния балласта и принимает следующие значения: - при мокром балласте-Г Ом-км; - при влажном балласте — 2 Ом-км; - при сухом слабо промёрзшем балласте - 50 Ом-км; - при сильно промёрзшем балласте — 50... 100 Ом-км. Наиболее неблагоприятные метеоусловия, при которых, сопротивление изоляции минимально, бывают летом при высокой температуре и влажности. Зимой, при отрицательных температурах и промёрзшем балласте, сопротивление изоляции увеличивается и составляет порядка 50... 100 Ом-км. Как показывает практика, сопротивление изоляции рельсовой линии при бесстыковом пути составляет не менее 5... 10 Ом-км [27, 28, 29]. Бесстыковой путь представляет собой цельносварные рельсы на железобетонных шпалах и новую конструкцию балластной призмы с использованием специальных изоляционных материалов (геотекстиль, пеноплекс и др.), применение которых позволяет существенно повысить сопротивление изоляции рельсовой линии. Основным видом балластного материала на бесстыковом пути является щебень твёрдых пород. Принимая во внимание повышенное сопротивление «рельс -земля», можно сделать вывод, что утечка как сигнального, так и тягового тока из рельсов в землю будет минимальна. С учётом значительного разброса величины удельного сопротивления изоляции рельсовой линии в условиях эксплуатации при определении параметров электромагнитной совместимости тягового подвижного состава с устройствами рельсовых цепей и АЛС расчёты выполняются для двух предельных значений сопротивлений изоляции ги = 1 Ом км и ги = 100 Ом км. Для измерения удельного электрического сопротивления изоляции рельсовой линии в условиях эксплуатации используются приборы ИСБ-1 и ИСБ-2. Принцип работы приборов основан на подаче в рельсовую линию вырабатываемого прибором высокочастотного синусоидального сигнала и измерении его параметров. Прибор ИСБ-1 использует частоту измерительного сигнала 5 кГц. Для проведения измерений прибор подключают к рельсовой линии не менее чем за 100-150 м от изолирующих стыков и проводят измерения на участке через каждые 200-300 м. После всех замеров определяется среднее значение сопротивления изоляции рельсовой линии по следующей формуле: Прибор ИСБ-2 использует частоту измерительного сигнала 7 кГц и имеет диапазон измерений от 0,01 до 10 Ом-км с автоматическим выбором пределов измерений и расчётом среднего значения сопротивления изоляции для данной рельсовой линии после нескольких измерений. Кроме того, прибор позволяет измерять модуль полного электрического сопротивления в диапазоне от 0,2 до 13 Ом. Четырёхточечная схема подключения прибора к рельсам с магнитами снижает погрешность измерений от качества электрического контакта с рельсами [33]. Измерение удельного сопротивления рельсовой петли или нити в процессе эксплуатации не выполняется, однако контролируется сопротивление рельсовых стыков. Максимально допустимое сопротивление токопроводящего стыка должно быть не более 200 мкОм. Измерение производится переносным прибором ИСРС-01 (измеритель сопротивления рельсовых стыков). Прибор имеет два варианта исполнения: - ИСРС-01/1 для участков с автономной и электрической тягой постоянного тока (до 1500 А через стык); - ИСРС-01/2 для участков с автономной и электрической тягой переменного тока (до 250 А через стык). Прибор имеет два автоматически выбираемых предела измерений — от 50 до 500 мкОм и от 0,5 до 5 мОм. Измерения сопротивления токопроводящего стыка могут осуществляться и с помощью измерителя переходных сопротивлений ИПС-01, который также имеет два варианта исполнения.
Оценка допустимых уровней помех в рельсовой линии для рельсовых цепей при электрической тяге постоянного тока
При приближении поезда к точке измерений на расстоянии менее 1,5 км от поезда до светофора Ч большая часть тягового тока (примерно 75% от общего тока электровоза) проходила через тяговую подстанцию «Вохтога», расположенную впереди поезда в 3 км от станции Вохтога. Остальная часть тягового тока (около 25%) проходила через подстанцию «Туфаново», расположенную позади поезда на расстоянии 50 км от станции Вохтога.
Для электровозов ВЛ80С и ВЛ80Т момент начала записи тягового тока определялся временем срабатывания сигнализации переезда. При этом поезд находился у предвходного светофора 2 на расстоянии около 1,5 км от входного светофора Ч станции Вохтога. Для электровоза ВЛ80ТК запись тягового тока осуществлялась с момента начала его движения от соседней станции Лежа (длина перегона Лежа - Вохтога около 22 км). В обоих случаях запись оканчивалась после проследования последнего вагона поезда координаты светофора Ч.
Для фиксации координаты электровоза ВЛ80ТК при его приближении к входному светофору Ч использовалась двухпроводная линия общей протяжённостью 250 м, схема которой приведена на рисунке 1.24. Выход линии подключался ко второму каналу регистратора ТЕАС GX1. Таким образом, регистратор одновременно записывал два сигнала: тяговый ток и его гармонические составляющие (первый канал) и сигнал с двухпроводной линии (второй канал). косвенно фиксировалось положение поезда у предвходного светофора 2 (на вход второго канала регистратора подавались помехи). В моменты проследования головы локомотива координат, находящихся на расстоянии 250, 150 и 20 м от входного светофора Ч станции Вохтога, осуществлялось замыкание фронтовых контактов соответствующих ключей КЗ, К2, К1,в результате чего к линии последовательно подключались три источника питания напряжением 1,8 В каждое. При этом сигнал на выходе двухпроводной линии ступенчато изменялся в моменты проследования головы поезда вышеуказанных координат. При проследовании головы локомотива нулевой точки 0 м осуществлялось размыкание фронтовых контактов ключа КО и сигнал на входе второго канала регистратора скачком падал до нуля. Запись тягового тока прекращалась после проследования всего состава координаты светофора Ч (нулевой точки). Диаграмма соответствия между положением головы электровоза ВЛ80ТК и сигналом, получаемым на выходе двухпроводной линии при проследовании поезда, показана на рисунке 1.25.
Совместив графики зарегистрированного тягового тока от электровоза ВЛ80ТК и сигнала с выхода двухпроводной линии (т.е. при совмещении осей времени), можно определить моменты времени проследования поездом соответствующих координат.
Для электровозов ВЛ80С и ВЛ80Т двухпроводная линия не использовалась для фиксации координат, а моменты времени проследования соответствующих координат можно приближённо определить, исходя из постоянства скорости движения поездов на участке пути 250 — Ом. Скорость движения поездов на этом участке составляла около 30 км/ч (8,3 м/с). При движении поезда с электровозом ВЛ80ТК по участку всем находящимся на данном участке подвижным единицам была дана команда «Опустить токоприёмники». В этом случае в точке измерений регистрировался только тяговый ток от одного электровоза ВЛ80ТК. В остальных случаях (т.е. при движении поездов с электровозами ВЛ80С и ВЛ80Т) на участке могли находиться другие электровозы и поезда с поднятыми пантографами. При этом записывался суммарный тяговый ток, однако большую его часть составлял ток от приближающегося к точке измерений электровоза. В результате проведённых измерений было получено десять записей тягового тока (десять файлов), из них: - шесть записей для электровоза ВЛ80С (общая продолжительность 28 мин); - одна запись для электровоза ВЛ80Т (продолжительность 3 мин); - одна запись для электровоза ВЛ80ТК (продолжительность 27 мин); - две записи при отсутствии поездов на участке 1500 -Ом (общая продолжительность 3 мин). Измерения сетевого тока и гармонических составляющих на борту электровоза ВЛ80ТК осуществлялись с использованием LEM-датчика тока LT1000 и анализатора спектра СК4-56 в полосе частот 10 Гц для гармонической составляющей 4550 Гц. Измерения на борту электровозов ВЛ80С и ВЛ80Т не проводились. Для обеспечения сопоставимости с результатами измерений на борту электровоза ВЛ80ТК проведена обработка зарегистрированных на пути значений тягового тока полосовым фильтром Баттерворта второго порядка, реализованного в программе анализа числовых данных FlexPro 7, с последующем расчётом среднеквадратических значений (СКЗ) тока в окне времени 0,3 с без перекрытий. Результаты измерений тягового тока и расчёта гармоник 4550 и 5550 Гц представлены на рисунке 1.26, на котором сверху вниз показаны: - осциллограмма зарегистрированного на пути тягового тока при движении поезда с электровозом ВЛ80ТК по перегону Лежа - Вохтога; - результат расчёта среднеквадратического значения тягового тока в окне времени 0,02 с (1 период частоты 50 Гц) без перекрытий; - результат расчёта среднеквадратического значения гармоники 4550 Гц с помощью полосового фильтра Баттерворта второго порядка с полосой 4545...4555 Гц в окне времени 0,3 с без перекрытий; - результат расчёта среднеквадратического значения гармоники 5550 Гц с помощью полосового фильтра Баттерворта второго порядка с полосой 5545...5555 Гц в окне времени 0,3 с без перекрытий. При движении по перегону Лежа — Вохтога на борту электровоза ВЛ80ТК зафиксировано пять примерно одинаковых всплесков тягового тока до 240 А (среднеквадратическое значение), обусловленных набором тяги. Максимальные среднеквадратические значения тягового тока, зафиксированные в междроссельной перемычке у входного светофора Ч станции Вохтога, составили 60, 70, 80, 100 и 160 А (см. рисунок 1.26, 2-й график сверху, 320-я, 880-я, 1130-я, 1270-я и 1400-я секунды по оси времени соответственно).
Определение нормативов ЭМС для тягового подвижного состава при электрической тяге переменного тока
При равенстве тягового тока в рельсовых нитях гармонические составляющие практически не оказывают воздействия на нормальную работу рельсовых цепей и устройств АЛС. Воздействие тягового тока всегда связано с неравномерным распределением тягового тока в рельсовых нитях.
При электрической тяге постоянного и переменного тока известен ряд случаев воздействия на аппаратуру рельсовых цепей и АЛС вследствие повышенной асимметрии рельсовой цепи.
Например, на участках с автоблокировкой числового кода при повышенной асимметрии в паузах между импульсами наблюдается заполнение интервалов гармоническими составляющими тягового тока, что приводит к нарушению импульсной работы путевого приёмника и ложной занятости рельсовой цепи. Такое же явление наблюдается и в локомотивных устройствах АЛСН числового кода, в результате чего происходит сбой в приёме сигналов АЛС.
Асимметрия тягового тока может привести к намагничиванию постоянным током магнитной системы дроссель-трансформатора, что вызывает снижение коэффициента трансформации и уменьшение полезного сигнала на входе приёмных устройств рельсовой цепи. В результате может возникнуть ложная занятость участка пути. На участках с электротягой переменного тока постоянная составляющая тягового тока возникает при коммутационных процессах (изменение режима работы тяговых двигателей, нарушение контакта между токоприёмником и контактным проводом). Подмагничивание дроссель-трансформатора тяговым током зависит не только от коэффициента асимметрии рельсовой цепи, но и от уровня тягового тока, протекающего по рельсам.
При равенстве токов в обеих полуобмотках дроссель-трансформатора намагничивание его сердечника не происходит, поскольку суммарный магнитный поток равен нулю из-за встречного протекания токов. При неравномерности распределения токов одна из полуобмоток основной обмотки дроссель-трансформатора вызывает преобладание намагничивающего поля и намагничивание сердечника. В результате этого снижается индуктивность дросселя и сопротивление основной обмотки дроссель-трансформатора переменному току уменьшается, что равносильно уменьшению коэффициента трансформации. Исследования показывают, что дроссельные перемычки в коротких рельсовых цепях существенно влияют на распределение тягового тока в рельсовых нитях. Эксплуатационному штату для обеспечения устойчивой работы рельсовых цепей следует выравнивать сопротивление дроссельных перемычек путем увеличения сечения наиболее длинных перемычек. Наиболее остро влияние асимметрии проявляется в рельсовых цепях при электротяге переменного тока и на станциях стыкования. Здесь для уменьшения асимметрии практикуется укладка дроссельных перемычек одинаковой длины как к дальнему от дроссель-трансформатора рельсу, так и к ближнему. В эксплуатации довольно часто наблюдаются случаи перекрытия путевых светофоров перед трогающимся электроподвижным составом, когда пусковой тяговый ток достигает большого значения в непосредственной близости от несимметричной рельсовой цепи. Для устранения асимметрии тягового тока принимается ряд мер: проверка наличия и исправности рельсовых соединителей, контроль затяжки болтов рельсовых накладок, проверка состояния дроссель-трансформаторов, искровых промежутков, измерение сопротивления изоляции рельсовой линии. Измеряется величина тока утечки цепей заземлений, подключенных к рельсу. С целью уменьшения асимметрии тягового тока в соответствии с НТП СЦБ/МПС-99 [23] должны устанавливаться междупутные соединители, количество которых должно быть максимальным при условии выполнения контрольного режима РЦ. При бесстыковом пути для снижения асимметрии устанавливаются выравнивающие (симметрирующие) дроссель трансформаторы. Учитывая, что все перечисленные воздействия на аппаратуру рельсовых цепей и АЛС зависят от многих случайных факторов" (уровня тягового тока в рельсах, режима движения поезда, режима работы тяговых подстанций, наличия других поездов на фидерной зоне и др.)? то отказы и сбои в работе устройств СЦБ при повышенной асимметрии могут носить непостоянный характер и проявляться в зависимости от изменения того или иного влияющего фактора. Асимметрию тягового тока можно определить на основе измерений значений токов в двух рельсовых нитях пути. Для измерения асимметрии тягового тока рельсовой цепи в условиях эксплуатации может использоваться прибор ИПС-01, который кроме измерения переходных сопротивлений элементов РЦ позволяет измерять величину тока асимметрии в амперах и коэффициента асимметрии в процентах. Кроме того, на индикаторе прибора в процессе измерения асимметрии отображается рельсовая нить с меньшим значением тягового тока и выводится значение полного тягового тока. Измерение асимметрии осуществляются бесконтактным способом с помощью прилагаемых к прибору индуктивных датчиков тока, которыми необходимо охватить дроссельные перемычки рельсовой цепи. Прибор ИПС-01 имеет два исполнения: - ИПС-01/1 для автономной и электрической тяги постоянного тока имеет пределы измерений асимметрии до 120 А и до 10%; - ИПС-01/2 для автономной и электрической тяги переменного тока имеет пределы измерений асимметрии до 20 А и до 5%. Для приближённой оценки асимметрии тягового тока рельсовой цепи могут проводиться одновременные измерения напряжений на обеих полуобмотках дроссель-трансформатора с помощью однотипных приборов (например, мультиметров Ц4380). Также возможно проведение одновременных измерений величин токов в полуобмотках дроссель-трансформатора (дроссельных перемычках) с помощью токоизмерительных клещей. В соответствии с инструкциями ЦЭ-518 [50] и ЦШ-720-09 [54] контрольные измерения коэффициента асимметрии тягового тока должны проводиться один раз в год (весной) измерением напряжения или тока на полуобмотках дроссель-трансформатора. Для этого к каждой полуобмотке подключают прибор, а показания снимают одновременно (не менее 10 показаний через каждые 10 с). Допускается применение самопишущих приборов, подключенных одновременно к полуобмоткам дроссель-трансформатора. По полученным значениям падения напряжения на первой и второй полуобмотках дроссель-трансформатора ищт и U2!lT или токам через полуобмотки /1ДТ и /2ДТ вычисляют коэффициент асимметрии:
Если полученное значение асимметрии больше нормируемого, проверяют состояние стыковых соединителей, контактов в месте присоединения дроссельных перемычек, состояние первичных обмоток дроссель-трансформаторов, измеряют сопротивления заземляемых на рельс конструкций и др. Применение современных измерительных приборов позволяет существенно сократить время на поиск.причин и устранение отказов в работе рельсовых цепей и сбоев АЛС, вызванных повышенной асимметрией тягового тока, а также своевременно выявить предотказное состояние элементов рельсовых цепей и принять необходимые меры по исключению нарушений нормальной работы устройств СЦБ.
Определение параметров системы централизованного электроснабжения вагонов
Помехи, подаваемые на входы приёмников от генератора помех PG, представляли собой гармонические сигналы синусоидальной формы с несущей частотой соответствующего приёмника. Частота помехи контролировалась по частотомеру PF. Трансформатор TV (ПОБС-2А) включался последовательно с резистором R сопротивлением 500 Ом на выходе генератора ГП. Сопротивление магазина сопротивлений PR (РЗЗ) составляло 100 Ом. Исполнительное реле KV (АНШ2-1230) с параллельно включенными обмотками подключалось к основному выходу приёмника. Измерения уровней сигналов осуществлялось с помощью милливольтметра ВЗ-38Б (PV1) и мультиметра Ц4380 (PV2). Форма сигналов контролировалась с помощью осциллографа Cl-112А (PS).
Для определения допустимого уровня помехи с точки зрения опасного влияния на вход приёмника подавались остаточный сигнал на приёмном конце рельсовой цепи при наличии шунта от генератора ГП 1ост = —-—2i2iL = 1,76 мА (« = 38 — коэффициент трансформации путевого трансформатора ПОБС-2А) и сигнал синусоидальной помехи при плавном увеличении её уровня до момента срабатывания приёмника и замыкания фронтового контакта исполнительного реле. Проведённые лабораторные испытания показали, что приёмники ТРЦ-3 надёжно не срабатывают при воздействии гармонической помехи в полосе пропускания входного фильтра с уровнем до 0,83 мА на входе приёмника. 137 Следовательно, допустимый уровень непрерывной помехи на приёмном конце РІД в полосе пропускания приёмных устройств ТРЦ-3 составляет 1пск = 0,83-38 = 32мА. Для определения допустимого уровня помехи с точки зрения мешающего влияния на вход приёмника подавались сигнал от генератора ГП с уровнем на входе приёмника, равным мс " = 3,0 мА, и сигнал синусоидальной помехи при п плавном увеличении её уровня до момента отпускания приёмника и размыкания фронтового контакта исполнительного реле. Проведённые лабораторные испытания показали, что приёмники ТРЦ-3 фактически обеспечивают устойчивый приём сигналов РЦ с отсутствием размыкания фронтового контакта основного исполнительного (путевого) реле при воздействии гармонической помехи в полосе пропускания входного фильтра с уровнем до 0,55 мА на входе приёмника. Следовательно, допустимый уровень непрерывной помехи на приёмном конце РЦ в полосе пропускания приёмных устройств ТРЦ-3 составляет 1пск = 0,55 38 = 21 мА. Тональные рельсовые цепи с несущими частотами в диапазоне 4,5-5,5 кГц (ТРЦ-4) применяются на перегонах в зоне установки путевых светофоров без использования изолирующих стыков в системе АБТ. В качестве сигнального тока в них используются амплитудно-модулированные сигналы с несущими частотами 4500, 4545, 5000, 5500 и 5555 Гц и частотами модуляции 8 или 12 Гц. При занятии РЦ поездом в неё с передающего или приёмного конца могут поступать сигналы АЛС. В качестве путевых приёмников в ТРЦ-4 используют приёмники типа ПП4, 111141, ПРЦ4Л, ПРЦ4Л1 с исполнительным реле типа АНШ2-1 230 или АНШ2-310. Длина тональных рельсовых цепей ТРЦ-4 составляет 1Щ = 100-300 м. Ток чувствительности на приёмном конце свободной РЦ, соответствующий напряжению срабатывания путевого реле приёмных устройств РЦ, составляет 1срай = 60 мА при его минимальном значении, поддерживаемом в условиях эксплуатации, 1МС1а = 65 мА. Ток на приёмном 138 конце РЦ, соответствующий надёжному отпаданию якоря реле приёмных устройств, составляет 1отп = 48 мА. Приведённый коэффициент надёжного возврата приёмника рельсовой цепи К т = 0,58. Время срабатывания путевого приёмника составляет tcpaCl = 0,5 с. С целью уменьшения воздействия помех путевые приёмники ТРЦ-4 содержат входные полосовые фильтры с полосой пропускания 75 Гц (±37,5 Гц от значения соответствующей несущей частоты), которые обеспечивают ослабление сигналов вне полосы пропускания. Для определения допустимого уровня непрерывной помехи на приёмном конце тональной рельсовой цепи ТРЦ-4 в полосе пропускания приёмных устройств были проведены лабораторные испытания макетов рельсовых цепей. Испытания проводились для 8 образцов путевых приёмников ПРЦ4Л и ПРЦ4Л1 с различными несущими и модулирующими частотами, изготовленных на Лосиноостровском электротехническом заводе. Испытания проводились по аналогичной схеме и методике, что и для приёмников рельсовых цепей ТРЦ-3 (см. пункт 2.2.1.7). Для определения допустимого уровня помехи с точки зрения опасного влияния на вход приёмника подавались остаточный сигнал на приёмном конце рельсовой цепи при наличии шунта от генератора ГП 1ост = —-— - = 1,0 м(« = 38 - коэффициент трансформации путевого трансформатора ПОБС-2А) и сигнал синусоидальной помехи при плавном увеличении её уровня до момента срабатывания приёмника и замыкания фронтового контакта исполнительного реле. Проведённые лабораторные испытания показали, что приёмники ТРЦ-4 надёжно не срабатывают при воздействии гармонической помехи в полосе пропускания входного фильтра с уровнем до 0,71 мА на входе приёмника. Следовательно, допустимый уровень непрерывной помехи на приёмном конце РЦ в полосе пропускания приёмных устройств ТРЦ-4 составляет /иск=0,71-38 = 27мА. 139 Для определения допустимого уровня помехи с точки зрения мешающего влияния на вход приёмника подавались сигнал от генератора ГП с уровнем на входе приёмника, равным эуспл = 1,7 мА, и сигнал синусоидальной помехи при плавном увеличении её уровня до момента отпускания приёмника и размыкания фронтового контакта исполнительного реле. Проведённые лабораторные испытания показали, что приёмники ТРЦ-4 фактически обеспечивают устойчивый приём сигналов РЦ с отсутствием размыкания фронтового контакта основного исполнительного (путевого) реле при воздействии гармонической помехи в полосе пропускания входного фильтра с уровнем до 0,50 мА на входе приёмника. Следовательно, допустимый уровень непрерывной помехи на приёмном конце РЦ в полосе пропускания приёмных устройств ТРЦ-4 составляет 1пск = 0,50 -38 = 19 мА. Полученные значения допустимых токов непрерывных помех в рельсах на приёмном конце рассмотренных рельсовых цепей, применяемых при электрической тяге постоянного тока, сведены в таблицу 2.3. При этом в качестве допустимых токов помех выбраны наименьшие значения из условий опасного и мешающего воздействия.
