ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЛЬСОВЫЕ ЦЕПИ

Рельсовые цепи (РЦ) являются основным элементом железнодорожной автоматики и телемеханики, применяемым во всех современных автоматических и телемеханических системах регулирования движения поездов. Они в значительной степени определяют надежность работы систем регулирования движения и безопасность движения поездов.

Электрическими рельсовыми цепями оборудуются перегоны при автоматической блокировке и предстанционные участки при полуавтоблокировке. На станциях с электрической централизацией электрическими рельсовыми цепями оборудуются все стрелочные и бесстрелочные участки в централизованной зоне, расположенной на главных и приемо-отправочных путях.

С помощью электрических рельсовых цепей выполняются основные требования ПТЭ по обеспечению безопасности движения поездов:

• исключается возможность открытия светофора на занятый блок-участок или путь станции;
• исключается перевод стрелок под подвижным составом;
• исключается разделка маршрута или отдельной его части до момента фактического освобождения его всем составом.

Кроме того с помощью рельсовых цепей обеспечивается:

• автоматическая смена разрешающего огня светофора на запрещающий, если в пределах контролируемого маршрута (блок-участка) появляется подвижной состав или происходит повреждение рельсовой цепи;
• работа автоматической локомотивной сигнализации;
• передача информации о свободности или занятости станционных путей и участков приближения на табло аппаратов управления.

Рельсовая цепь представляет собой электрическую цепь, в которой есть источник тока и приемник тока (путевое реле), а проводниками электрического тока являются рельсовые нити железнодорожного пути. Электрическая схема простейшей рельсовой цепи состоит из питающего конца, рельсовой линии и релейного конца.

По способу действия рельсовые цепи бывают нормально-замкнутые и нормально-разомкнутые.

В нормально-замкнутой рельсовой цепи при свободном участке ток от источника питания (ИП) через ограничительный резистор (Р) протекает по рельсовой линии к путевому реле (ПР) - этот ток называется сигнальным. Путевое реле находится в состоянии "включено", чем фиксируется свободность участка (отсутствие на участке подвижных единиц) и целостность рельсовых нитей.
При вступлении на участок колесной пары подвижной единицы наступает шунтовый эффект, при котором часть сигнального тока протекает через колесную пару, а часть - через обмотку реле. Так как электрическое сопротивление колесной пары намного меньше сопротивления обмотки реле, ток, проходящий через КП будет намного больше, чем ток, проходящий через обмотку ПР, поэтому реле будет находиться в состоянии "выключено", чем фиксируется занятость участка подвижным составом. При обрыве рельсовой нити ток через обмотку реле также протекать не будет, что приводит к перекрытию сигнала и появлению индикации "ложной занятости" на аппаратах управления.

Нормально-замкнутые рельсовые цепи применяются на перегонах - в системах автоблокировки, автоматической переездной сигнализации и системах контроля подвижного состава на ходу поезда, и на станциях - в системах электрической централизации стрелок и светофоров.

В нормально-разомкнутой рельсовой цепи при свободном участке источник тока - путевой трансформатор (ПТ) работает в режиме холостого хода, т.к. рельсовая цепь разомкнута и путевое реле находится в состоянии "выключено", чем фиксируется свободное состояние участка. При вступлении на участок колесной пары подвижной единицы колесная пара замыкает цепь, ПТ получает нагрузку, и по цепи протекает ток, достаточный для включения путевого реле. Путевое реле находится в состоянии "включено", чем фиксируется занятое состояние участка.

Недостатком нормально-разомкнутых рельсовых цепей является невозможность непрерывного контроля целостности рельсовых нитей. Нормально-разомкнутые рельсовые цепи применяются на сортировочных горках в системах горочной автоматической централизации. Для защиты от перевода стрелок под отцепом горочные рельсовые цепи дополняются различными датчиками (датчиками прохода колес, ФЭУ, РТД-С, ИПД), которые обеспечивают дополнительную фиксацию вступления отцепа на контролируемый участок.

В зависимости от рода сигнального тока различают рельсовые цепи постоянного и переменного тока. У последних в качестве сигнального может использоваться переменный ток на частотах 25; 50; 75 Гц, а также в диапазонах тональных частот (420-780 Гц, 4545-5555 Гц).

В зависимости от вида сигналов, поступающих в рельсовую линию, различают рельсовые цепи с непрерывным питанием, импульсные и кодовые. У импульсных рельсовых цепей сигнальный ток подается в рельсовую линию в виде равномерных импульсов, у кодовых - в виде кодовых комбинаций.

Рельсовая линия имеет две рельсовые нити, которые состоят из отдельных рельсовых звеньев (7), соединенных между собой токопроводящими стыковыми соединителями (8) для уменьшения электрического сопротивления рельсовых нитей в местах стыков. В зависимости от рода тяги на участке и выбранного способа крепления к рельсу стыковые соединители бывают трех типов. На участках с автономной тягой применяют стальные штепсельные или стальные приварные соединители. На электрифицированных участках, где через стыки, помимо сигнального тока, протекает тяговый ток большой силы, используют медные приварные соединители.

Рельсовые нити располагаются на не проводящем ток основании - деревянных или железобетонных шпалах (9). При использовании железобетоннных шпал для исключения электрического замыкания рельсовых нитей через их металлическую арматуру между подошвами рельсов и шпалами в местах их скрепления устанавливают диэлектрические прокладки.

Рельсовые линии смежных рельсовых цепей разделяют с помощью изолирующих стыков (6), которые бывают двух типов: стыки с металлическими накладками и диэлектрическими прокладками и стыки с диэлектрическими накладками. Изолирующие стыки должны обеспечивать надежную электрическую изоляцию и механическую прочность верхнего строения пути. Поэтому их изготавливают из изолирующих материалов, обладающих значительной механической прочностью и сохраняющих достаточную работоспособность в условиях увлажнения. Изолирующий стык с диэлектрической накладкой АПАТЭК обладает высокой механической прочностью и наилучшими диэлектрическими свойствами.

На электрифицированных участках у изолирующих стыков в рельсовой линии устанавливают дроссель-трансформаторы (ДТ), которые обеспечивают пропуск обратного тягового тока по рельсовым нитям в обход изолирующих стыков. Дроссель-трансформатор имеет две обмотки: основную и дополнительную. Основная обмотка расчитатна на пропуск тягового тока большой силы и имеет три вывода - два крайних подключают к рельсам одной рельсовой цепи, а средний соединяют со средним выводом дроссель-трансформатора, соединенного с рельсами смежной рельсовой цепи. К выводам дополнительной обмотки подключают приборы рельсовой цепи - путевой трансформатор, либо путевое реле.

Часть тягового тока I_т1, проходя по одному из рельсов, оказывается в одной части основной обмотки дроссель-трансформатора. В это время другая часть тягового тока I_т2 течёт через вторую часть основной обмотки. Через перемычку суммарный ток I_т1+ I_т2 попадает в среднюю точку основной обмотки смежного дроссель-трансформатора и, разделившись на 2 части, проходит по рельсовым нитям соседней РЦ, направляясь к тяговой подстанции. Создаваемые протекающими в полуобмотках токами магнитные потоки направлены в разные стороны (встречно). В результате тяговый ток не наводит электродвижущую силу (ЭДС) в дополнительной обмотке дроссель-трансформатора, к которой подключено путевое реле. На питающем конце рельсовой цепи дополнительная обмотка дроссель-трансформатора обтекается сигнальным переменным током от путевого трансформатора, что наводит ЭДС в основной обмотке дроссель-трансформатора, в результате чего в рельсовой линии возникает сигнальный ток I_с. Этот ток протекает по рельсовым нитям и по всей длине основной обмотки дроссель-трансформатора, расположенного на другом (релейном) конце рельсовой цепи. В дополнительной обмотке данного дроссель-трансформатора, соединенной с путевым реле, возникает ЭДС, под действием которой по обмотке катушки путевого реле протекает ток, вызывающий его включение.

На питающем конце рельсовой цепи располагаются приборы, посылающие в рельсовую цепь сигнальный ток: путевой трансформатор, батарея с буферным зарядным устройством, путевой трансмиттер, ограничительный резистор.

На релейном конце сигнальный ток из рельсовой линии принимает путевое реле, которое фиксирует состояние рельсовой цепи (занятое или свободное от подвижного состава) и упраляет работой других компонентов систем регулирования движения поездов.

Рельсовая цепь является электрической цепью с неидеальной изоляцией. Это приводит к тому, что рабочий ток путевой батареи, протекая по рельсовым нитям, замыкается в виде тока утечки через балласт, и до путевого реле доходит только часть рабочего тока. Учитывая, что сопротивление изоляции балласта не остается постоянным и в зависимости от климатических условий изменяется в пределах от 1 до 100 Ом*км, то изменяется рабочий ток и напряжение на путевом реле.

В сырую погоду сопротивление изоляции понижается, утечка тока увеличивается, рабочий ток в путевом реле уменьшается и реле может отпускать якорь и переключать светофор на красный огонь при свободном состоянии рельсовой цепи ("Ложная занятость").

В сухую погоду утечка тока уменьшается, рабочий ток в реле увеличивается и реле работает с перегрузкой, что может создать опасность сохранения разрешающего огня на светофоре при вступлении скатов колесных пар на рельсовую цепь ("Ложная свободность").

С учетом неблагоприятных условий расчет и регулировка рельсовых цепей производится при следующих режимах их работы: нормальном, шунтовом, контрольном.

Нормальный (регулировочный) режим характеризуется свободным от подвижного состава состоянием рельсовой цепи. В этом режиме через обмотку катушки путевого реле протекает ток, при котором якорь реле надежно удерживается в притянутом к седечнику положении или надежно притягивается (при импульсном питании) к сердечнику при самых неблагоприятных для данного режима условиях работы.

Неблагоприятными условиями для работы РЦ в нормальном режиме являются те, которые приводят к снижению тока в обмотке катушки путевого реле до величины тока отпускания или непритяжения якоря. К снижению рабочего тока в путевом реле приводят:

• увеличение сопротивления РЦ при нарушении целостности стыковых соединителей;
• увеличение тока утечки через балласт из-за уменьшения сопротивления балласта (вследствие загрязнения балласта и неблагоприятных метеорологических условий);
• снижение напряжения источника питания.

Шунтовой режим наступает с момента вступления на рельсовую цепь скатов колесных пар подвижного состава. Происходит электрическое соединение (шунтирование) рельсовых нитей колесными парами, имеющими незначительное сопротивление по сравнению с сопротивлением обмотки путевого реле. При этом напряжение на реле должно снижаться до значения напряжения отпускания якоря, который должен быть надежно отпущен при самых неблагоприятных условиях шунтового режима.

Неблагоприятными условиями для работы РЦ в шунтовом режиме являются те, которые приводят к увеличению тока в путевом реле, а именно:

• повышенное напряжение источника питания;
• наименьшее сопротивление рельсов;
• наибольшее сопротивление балласта.

Основной характеристикой работы рельсовой цепи в шунтовом режиме является шунтовая чувствительность - наибольшее сопротивление шунта, при замыкании которым рельсовой линии происходит снижение тока (напряжения) в путевом реле до величины тока (напряжения) отпускания якоря реле. Эта величина всегда переменная и зависит от числа колесных пар, находящихся на РЦ и величины переходного сопротивления между бандажом колеса и головкой рельса. По действующим техническим условиям шунтовая чувствительность не должна быть менее 0,06 Ом. Эта наименьшая величина шунтовой чувствительности проверяется наложением на рельсы испытательного нормативного шунта сопротивлением 0,06 Ом. При наложении этого шунта в любой точке рельсовой линии путевое реле должно отпустить якорь.

Контрольный режим наступает при нарушении целости рельсовой цепи (излом или изъятие рельса, нарушение стыка). В этом случае прекращается нормальное прохождение тока по рельсовой линии и путевое реле должно отпустить свой якорь при самых неблагоприятных условиях работы в контрольном режиме.

При лопнувшем рельсе через путевое реле может продолжать протекать ток по обходному пути через балласт. Этот ток может оказаться достаточным для удержания якоря путевого реле и контроля лопнувшего рельса не получится. Таким образом, наихудшими условиями контрольного режима будут:

• повышенное напряжение источника питания;
• наименьшее сопротивление рельсовых нитей;
• критически низкое сопротивление балласта в месте разрыва рельсовой нити (когда цепь сохраняется благодаря утечке тока через балласт).

Бесперебойная работа систем регулирования движения в значительной степени зависит от надежного действия электрических рельсовых цепей. Отказы в работе РЦ приводят к значительным сбоям в движении поездов, усложняют работу службы движения, способствуют возникновению аварийных ситуаций.

Наиболее распространенными отказами в работе РЦ являются повреждения типов "ложная занятость" и "ложная свободность".

"Ложная занятость" появляется в случае, когда при отсутствии на РЦ подвижного состава путевое реле не притягивает свой якорь, сигнализируя тем самым о занятости контролируемого участка. Как следствие такой неисправности стрелки не переводятся, светофоры по маршрутам не открываются, на перегонах закрывается автоблокировка, т.е. происходят сбои в движении поездов, влияющие на пропускную способность железнодорожных линий.

Одной из главных причин такого отказа в работе РЦ является ухудшение состояния верхнего строения пути, в результате чего нарушается нормальная работа изолирующих стыков, рельсовых стыковых соединителей, которые часто выходят из строя. Засорение балласта сыпучими грузами, особенно солями и минеральными удобрениями, приводит к резкому снижению сопротивления балласта и увеличению токов утечки через балласт, а также к разрушению элементов верхнего строения пути (рельсов, болтов, подкладок, шпал).

Ложная занятость РЦ может возникнуть по причине:

• отсутствия рельсового соединителя или плохого контакта в нем;
• замыкания рельсов посторонним металлическим предметом;
• пробоя изоляции в изолирующих стыках;
• загрязненности и плохой подрезке балласта;
• ненадежном или пониженном электропитании;
• обрыве кабельных и дроссельных перемычек, неисправности дроссель-трансформатора

Неисправность дроссель-трансформатора, либо кабельных и дроссельных перемычек может стать причиной неисправности не только рельсовой цепи, но и тяговой сети. Это, в свою очередь, в совокупности с неисправностью изолирующего стыка может стать причиной повреждения рельсовой линии токами большой величины, вызывающими возникновение электрической дуги между концами рельсов смежных рельсовых линий, что приводит к разрушению изолирующего стыка.

"Ложная свободность" появляется, когда при занятой подвижным составом РЦ путевое реле не отпускает свой якорь. В этом случае резко нарушается безопасность движения поездов, что приводит к возникновению аварийных ситуаций, приводящих к крушению поездов, к появлению возможности перевода стрелки под составом, открытию светофора на занятый путь или блок-участок.

Причинами ложной свободности являются необеспечение шунтовой чувствительности РЦ, либо срабатывание путевого реле от другого (постороннего) источника питания (источника питания смежной РЦ при замыкании изолирующих стыков и нарушении чередования полярностей, помехи тягового тока на участках с электротягой, воздействия электрического оборудования подвижного состава и др.).

Необеспечение шунтовой чувствительности РЦ происходит из-за резкого увеличения переходного сопротивления между рельсами и колесными парами (сопротивления поездного шунта). Причинами увеличения сопротивления поездного шунта являются ржавчина, напрессованный снег, лед и грязь на головке рельсов, наличие битума и песка на колесах подвижного состава, что увеличивает переходное сопротивление между бандажом колеса и головкой рельса. Одиночный локомотив и автодрезина также плохо шунтируют РЦ, так как сопротивление скатов колес двух или трех тележек слишком велико и напряжение на путевом реле снижается, но не до величины напряжения отпускания якоря реле, и якорь путевого реле остается притянутым, фиксируя ложную свободность пути.

Во избежание потери шунтовой чувствительности нельзя допускать загрязнения головок рельсов песком, снегом, шлаком и другими материалами; работы, связанные с загрязнением головок рельсов, необходимо выполнять с согласия дежурного по станции после соответствующей записи руководителя работ в Журнале осмотра; необходимо периодически обкатывать малодеятельные участки РЦ с тем, чтобы не допускать образования ржавчины на головке рельсов; не оставлять одиночные локомотивы и дрезины на загрязненных рельсах; дополнительно проверять при снегопадах свободность малодеятельных путей перед приемом поезда, внимательно следить по табло за шунтированием РЦ подвижным составом; если путь приема или стрелочный участок занят подвижным составом более суток, сообщить об этом электромеханику.

Для повышения надежности работы РЦ в них применяют импульсное, либо кодовое питание, при котором катушка путевого реле периодически обесточивается и якорь реле отпускается. При очередном импульсе при наличии шунта (даже при повышенном переходном соспротивлении между рельсами и колесными парами) величины тока уже не хватит для притягивания якоря реле, и реле будет оставаться в выключенном состоянии.

В настоящее время широко внедряются тональные рельсовые цепи, отличающие высокой надежностью работы. Такие РЦ работают в случае низкого сопротивления балласта, без изолирующих стыков при любом виде тяги поездов. Аппаратура тональных рельсовых цепей (ТРЦ) обеспечивает формирование и прием амплитудно-модулированных сигналов с частотами модуляции 8 и 12 Гц и несущими частотами в диапазоне 420...780 Гц. Особенностью устройства ТРЦ является то, что в такой РЦ устанавливается один источник питания на две РЦ, а передающая и приемная аппаратура располагается на станциях, примыкающих к перегону.

По месту применения РЦ подразделяются на неразветвленные и разветвленные.

Неразветвленные РЦ не имеют ответвлений и такими РЦ оборудуют неразветвленные участки: главные и приемо-отправочные пути, бесстрелочные участки в горловинах станций и блок-участки на перегонах. Примеры неразветвленных РЦ приводились выше.

Разветвленные РЦ устраивают на разветвленных участках пути, т.е. в стрелочных зонах станции. Такие рельсовые цепи позволяют контролировать свободность стрелочных изолированных участков. Они кроме изолирующих стыков по границам рельсовой цепи имеют дополнительные изолирующие стыки (4) на рамных рельсах, исключающие замыкание рельсовых нитей остряками и крестовиной стрелочного перевода. Для образования электрической цепи устанавливаются стрелочные рельсовые соединители: (3) - между рамными рельсами, остряками и переводными кривыми, (5) - между крайними рельсовыми нитями, (6) - на крестовине стрелочного перевода.

Основной задачей изоляции разветвленных рельсовых цепей является обеспечение контроля наличия подвижных единиц на ответвленных рельсовых нитях. Для осуществления такого контроля наиболее распространен параллельный способ изоляции, при котором сигнальный ток протекает только по рельсовым нитям одного пути А, где включено путевое реле СП, а рельсовые нити ответвления Б находятся лишь под напряжением.

При свободном стрелочном участке сигнальный ток протекает по цепи: плюс батареи ПБ - рельсовая нить (1) и связанный с ней через соединитель (3) нижний остряк - рельсовый соединитель (6) - рельсовая нить (9) - обмотка реле СП - рельсовая нить (10) - рельсовый соединитель (5) - рельсовая нить (2) - минус батареи ПБ. Реле СП, находясь в возбужденном состоянии, контролирует свободность стрелочного участка и исправность стрелочного соединителя. В случае обрыва рельсового соединителя реле СП отпускает якорь и дает контроль неисправности рельсовой цепи. При занятии участка поездом происходит шунтирование рельсовых нитей 1-2, 7-8, или 9-10 малым сопротивлением скатов колесных пар. Реле СП, лишаясь питания, отпускает якорь и контролирует занятость участка.

Путевое развитие станции делится изолирующими стыками на отдельные изолированные участки, которые оборудуются электрическими рельсовыми цепями. При разбивке путевого развития станции на изолированные участки необходимо обеспечить максимальное количество параллельных передвижений, исключить перепробеги подвижного состава при маневровых передвижениях, особенно на станциях с большой маневровой работой, обеспечить нормальный прием кодов на кодируемых путях.

Разбивка станции на изолированные участки, как правило, выполняется на однониточной схеме станции в следующей последовательности:

• изолирующими стыками пути станции отделяются от путей перегона;
• выделяются рельсовые цепи главных и приемоотправочных путей станции;
• устанавливаются изолирующие стыки, ограничивающие бесстрелочные участки пути за входными светофорами, а также участки пути, удобные для производства маневровой работы;
• отделяется изолирующими стыками нецентрализованная зона (грузовые дворы, депо, тупиковые и подъездные пути), при этом путевое развитие тяговых подстанций, пути отстоя пожарных и восстановительных поездов, а также классных вагонов являются объектами централизации;
• на входе в зону централизации с подъездных путей выделяется короткая рельсовая цепь (не менее 25 м) для контроля подхода составов с подъездных путей;
• стрелки, примыкающие к приемоотправочным путям, выделяются в отдельную рельсовую цепь;
• в отдельные рельсовые цепи выделяются каждая из стрелок стрелочной улицы;
• устанавливаются изолирующие стыки, обеспечивающие одновременные параллельные передвижения (стыки между стрелками съездов, параллельно расположенными съездами и т.п.);
• выполняется проверка, не входит ли в одну рельсовую цепь более трех одиночных или двух перекрестных стрелок. При необходимости устанавливаются дополнительные изолирующие стыки, причем желательно, чтобы число изолирующих стыков по главным путям было минимальным.

После расстановки изолирующих стыков на однониточной схеме железнодорожной станции составляется схема изоляции путей и стрелок. Для этого железнодорожная станция изображается в виде двухниточного плана, на который переносят все изолирующие стыки с однониточной схемы станции, а также добавляют дополнительные изолирующие стыки и рельсовые соединители на стрелочных переводах.

На двухниточном плане показывают: железнодорожные пути и стрелки, стрелочные электроприводы, светофоры с расцветкой сигнальных огней, изолирующие стыки, стрелочные соединители, тяговые междурельсовые соединители, путевые дроссели, трансформаторные ящики с обозначением конца рельсовой цепи (питающий или релейный), релейные будки и шкафы, посты централизации и другие здания, в которые заводится кабель, трасса кабелей.

Стрелочные секции обозначаются по номерам крайних стрелок, входящих в этот изолированный участок. Путевые бесстрелочные секции обозначаются по номерам соседних стрелок. Участки пути за входными светофорами обозначаются, как правило, по литерным знакам входных светофоров, за которыми они расположены. Расчет ординат стрелок и светофоров производится от оси поста электрической централизации.

1. Каково назначение электрических рельсовых цепей?
2. Назовите виды электрических рельсовых цепей и особенности их применения.
3. В чем недостаток нормально-разомкнутой рельсовой цепи?
4. Какие элементы входят в состав электрических рельсовых цепей и какую функцию они выполняют?
5. В каких режимах работают нормально-замкнутые электрические рельсовые цепи?
6. Назовите основные неисправности в работе электрических рельсовых цепей.
7. Что представляют собой разветвленные рельсовые цепи?
8. Что изображается на двухниточном плане станции?