5.1 Тональні рейкові кола

РК практично мають півторастолітню історію. За цей період відбувався безперервний розвиток їх теорії, вдосконалення структурних і схемних рішень, модернізація технічних засобів.

Основними напрямами вдосконалення РК є підвищення стійкості їх роботи в умовах впливу дестабілізівних чинників, оптимізація частотного діапазону використовуваних сигналів, підвищення завадозахищеності, зниження енергоспоживання. В даний час найбільші експлуатаційні, технічні та економічні переваги мають РК тональної частоти (ТРК), які знаходять все більш широке застосування на вітчизняних і зарубіжних залізницях, лініях метрополітену і швидкісного трамваю.

Використання сигнального струму тонального діапазону дозволяє істотно підвищити завадозахищеність і послабити взаємні впливи між РК, у кілька разів знизити споживану потужність, застосувати сучасну елементну базу, здійснити централізоване розміщення апаратури. До переваг ТРК слід віднести можливість відмови від використання ізолюючих стиків, що особливо важливо для ділянок з суцільнозварними рейковими нитками. За відсутності ізолюючих стиків забезпечується електрична безперервність кола повернення тягового струму, скорочується число використовуваних дросель-трансформаторів (ДТ) і знижуються втрати електроенергії на тягу поїздів.

Початок розробки систем на базі ТРК припадає на сімдесяті роки минулого сторіччя. Першим виробником апаратури ТРК був Харківський електротехнічний завод «Трансзв'язок». Вперше ТРК були використані в системі АБ з централізованим розміщенням апаратури (ЦАБ). Надалі на базі ТРК було розроблено декілька нових систем АБ: ЦАБ-М-АЛСО, ЦАБс, АБТС, АБТ, АБТД і АБТЦ.

Принципи побудови тональних рейкових кіл

Свою назву ТРК отримали у зв'язку з використанням в них сигнального струму з частотами тонального діапазону в області 400...6000 Гц, який умовно можна розділити на два піддіапазони: низький 400...800 Гц і високий 4,5...5,5 кГц.

Сигнальні струми ТРК являють собою амплітудно-модульовані (маніпульовані) сигнали, в яких носійні синусоїдальні частоти модулюються сигналами низької частоти 8 або 12 Гц. Таким чином, в якості відмінних ознак сигнального струму використовуються значення носійної частоти і частоти модуляції.

Принцип утворення амплітудно-маніпульованого (АМ) сигналу показаний на рисунку нижче, де fн – сигнал носійної частоти, fм – частота маніпуляції, fс – результуючий АМ сигнал.

Сигнальні струми ТРК низькочастотного діапазону утворюються шляхом модуляції п'яти носійних частот (420, 480, 580, 720, 780 Гц) сигналами 8 або 12 Гц. Кожній носійній частоті в діапазоні 420-780 Гц присвоєно кодове число 8, 9, 11, 14 та 15 по номеру найближчої найменшої гармоніки тягового струму і отримується діленням значення носійної частоти на 50 без залишку. Таким чином можливе утворення десяти амплітудно-модульованих сигналів, що мають такі позначення: f8/8, f8/12, f9/8, f9/12, f11/8, f11/12, f14/8, f14/12, f15/8, f15/12. 

Сигнальні струми ТРК високочастотного діапазону утворюються шляхом маніпуляції трьох носійних частот 4545, 5000 і 5555 Гц сигналами 8 або 12 Гц і мають наступні позначення: 4,5/8; 4,5/12; 5,0/8; 5,0/12; 5,5/8; 5,5/12 (всього – шість комбінацій). У чисельнику вказані округлені до першого знака після коми значення носійних частот в кГц, в знаменнику – значення частот модуляції 8 або 12 Гц.

Таким чином , в ТРК можливе використання 10 + 6 = 16 різних амплітудно-модульованих сигналів. Залежно від часу розробки, застосовуваних сигнальних частот, виконання апаратури, а також систем АБ (ЦАБ або АБТ), ТРК можна умовно розділити на чотири типи: ТРК1, ТРК2, ТРК3 і ТРК4.

У ТРК1, ТРК2 і ТРК3 (РК низькочастотного діапазону) використовують п'ять носійних частот, причому в ТРК1 і ТРК2 номінальні значення цих частот складають 425, 475, 575, 725, 775 Гц. З урахуванням досвіду експлуатації ТРК1 і ТРК2 (ЦАБ) в ТРК3 для підвищення захищеності приймальних пристроїв від перешкод, викликаних впливом гармонік тягового струму, були використані частоти 420, 480, 580, 720 і 780 Гц. Вибір цих частот (носійної та модулюючої) обумовлений забезпеченням завадозахищеності колійного приймача від гармонійних складових сигналів АЛС-АРС і тягового струму. У ТРК4 використані частоти 4545, 5000 і 5555 Гц.

Значення носійних частот цього діапазону обрані за умовами отримання необхідних мінімальних зон додаткового шунтування при організації так званого «електричного» стику за допомогою ТРК4, а також забезпечення їх роботи при низькому опорі баласту.

ТРК1 використовувалися в системі ЦАБ, ТРК2 – у системі ЦАБ-М, ТРК3 і ТРК4 розроблені для застосування в системі АБТ. ТРК3 використовуються в АБЕЦ, також можуть бать використані в системі ЦАБ.

Основу ТРК становлять не обмежені ізольованими стиками (ІС) рейкові кола. У зв'язку з цим ТРК інакше ще називають безстиковими рейковими колами (БРК). У разі необхідності ІС можуть встановлюватися в окремих точках рейкової лінії (наприклад, в місцях установки світлофорів).

Основні принципи побудови БРК показані на рисунку нижче.

Для скорочення кількості апаратури, кабелю і числа сигнальних частот живлення двох сусідніх РК здійснюється від одного джерела (генератора), який виробляє амплітудно-маніпульовані (АМ) сигнали. Так, живлення приймачів рейкового кола 1РК та 2РК здійснюється джерелом 1/2Г1сигнальним струмом, наприклад f 8/8, чим забезпечується контроль стану 1РК та 2РК. Аналогічно контроль стану 3РК та 4РК здійснюється за допомогою приймачів і джерела 3/4Г2 сигнальним струмом f9/12. Взаємний вплив суміжних РК виключається генерацією АМ сигналів джерелами 1/2Г1 і 3/4Г2 з різними носійними частотами і частотами маніпуляції (f 8/8 і f 9/12). Вплив сигнального струму на віддалені РК (наприклад, джерела 1/2Г1 на приймач П1 5РК) виключається завдяки загасанню сигнала при проходженні його через 2РК, 3РК, 4РК. 

Однією з основних особливостей ТРК як безстикового РК є те, що її шунтування і зміна кодового сигналу АЛС настає не з моменту вступу на нього поїзда, а при наближенні його до РК на деяку відстань. Колісна пара, яка знаходиться на цій відстані від точки підключення апаратури РК, шунтує частину сигнального струму РК, що в свою чергу призводить до зниження напруги на вході колійного приймача. Відстань від точки підключення апаратури до місця знаходження колісної пари, називається зоною додаткового шунтування Lш. На рисунку нижче показана схема розташування зон додаткового шунтування ТРК. В залежності від напрямку руху одна з них є зоною додаткового шунтування по входу (по наближенню), а друга - зоною додаткового шунтування по виходу (по віддаленню).

Довжина зони додаткового шунтування залежить від багатьох факторів: частоти сигнального струму, коефіцієнта перевантаження на вході колійного приймача, опору ізоляції баласту тощо. Як правило, довжина Lш складає приблизно 10% від довжини самого рейкового кола. Іноді щоб виключити зону додаткового шунтування або обмежити область розтікання сигнального струму АЛС на межі ТРК встановлюють ізолюючі стики.

За необхідності на ділянках з ТРК зі скороченою зоною додаткового шунтування, використовують високочастотні ТРК. Скорочена зона додаткового шунтування досягається за рахунок більш високого опору рейкової лінії на високих частотах.

Апаратура тональних рейкових кіл

До складу основної апаратури низькочастотних тональних рейкових кіл ТРК3 входять:

- колійний генератор ГП3 - призначений для формування і підсилення амплітудно-модульованого сигналу для роботи ТРК;

- колійний фільтр ФПМ - забезпечує захист вихідних кіл генератора від впливу струмів локомотивної сигналізації, тягового струму та атмосферних завад і формує  потрібне за умовами роботи рейкового кола зворотний вхідний опір живильного кінця; слугує для гальванічного розділення вихідного кола генератора від кабельної лінії і отримання на ньому потрібних напруг при відносно низьких вихідних напругах генератора; 

- колійний приймач ПП1 - призначений для прийому і дешифрування сигналів ТРК, які надходять з рейкової лінії, і, відповідно до рівня прийнятого сигналу, формування вихідної напруги на колійному реле;

- вирівнювальний трансформатор УТ3 - призначений для вирівнювання напруги на вході колійних приймачів, які живляться від одного генератора.

Колійний генератор ГП3 та фільтр ФПМ представляють собою конструкцію, зібрану в корпусі реле НШ з використанням  його колодки в якості несучої частини блоку.

Блок колійного генератора має два різновиди: ГП3-8,9,11 та ГП3-11,14,15. Аналогічні різновиди має і блок колійного фільтра (ФПМ-8,9,11 та ФПМ-11,14,15). Номери 8,9,11,14,15 в позначенні генераторів і фільтрів відповідають носійним частотам 420,480,580,720,780 Гц. Таким чином, перший різновид генераторів і фільтрів призначений для формування і передачі сигналів з носійними частотами 420, 480 та 580 Гц, а другий - з частотами 580, 720 і 780 Гц.

Живлення генератора здійснюється від мережі змінного струму частотою 50 Гц напругою 35 В, яке подається на виводи 41-43 блока. Фільтр ФПМ являє собою послідовний LC-фільтр (фільтр нижніх частот, який складається з котушки індуктивності та конденсатора) з гальванічною розв'язкою вхідних і вихідних кіл, який налаштовується на носійну частоту сигналу ТРК за допомогою зовнішніх перемичок. 

Приймач ПП1 являє собою  конструкцію, зібрану в корпусі реле ДСШ з використанням його колодки в якості носійної частини блоку. Блок ПП1 має 10 різновидів, які відрізняються прийомом сигналів з різною носійною частотою і частотою модуляції. Він може мати наступні позначення: ПП1-8/8, ПП1-8/12, ПП1-9/8, ПП1-9/12, ПП1-11/8, ПП1-11/12, ПП1-14/8, ПП1-14/12, ПП1-15/8, ПП1-15/12. Перша цифра вказує на номер носійної частоти, а друга - частоту модуляції. Напруга живлення 17,5 В змінного струму частотою 50 Гц подається на виводи 21-22 приймача.

Трансформатор УТ3 являє собою моноблочну конструкцію з кріпленням на штепсельному штативі на місце реле НМШ. Вирівнювальний трансформатор встановлюється в більш короткій ТРК для погашення "надлишку" напруги на вході приймача. Він використовується, коли довжини суміжних ТРК, що живляться від одного генератора, відрізняються більше ніж на 20 % або мають різні умови розповсюдження сигналу (наявність дросель-трансформаторів, ізостиків тощо).

До складу основної апаратури високочастотних тональних рейкових кіл ТРК4 входять:

- колійний генератор ГП4;

- колійний фільтр ФРЦ4Л;

- колійний приймач ПРЦ4Л1.

Блоки ГП4 та ФРЦ4Л мають один різновид. Кожен з блоків за допомогою зовнішніх перемичок може бути налаштований для роботи на одній з трьох носійних частот: 4,5, 5,0 або 5,5 кГц.

ГП4 представляє собою конструкцію, зібрану в корпусі реле НШ з використанням його колодки в якості носійної частини блока. Напруга живлення, принцип роботи аналогічні ГП3. Вихідна напруга ГП4 становить від 1 до 6 В. 

Колійний фільтр ФРЦ4Л представляє собою конструкцію, зібрану в корпусі реле НМШ з використанням його штепсельної колодки і гвинта для кріплення на релейному штативі. На відміну від ФПМ тут використовується паралельний LC-контур. 

Колійний приймач ПРЦ4Л1 конструктивно не відрізняється від приймача ПП1. Блок колійного приймача має шість різновидів: ПРЦ4Л1-4/8; ПРЦ4Л1-4/12; ПРЦ4Л1-5/8; ПРЦ4Л1-5/12; ПРЦ4Л1-6/8; ПРЦ4Л1-6/12.

Апаратура ТРК3 та ТРК4 розрахована на встановлення як в постових умовах, так і в шафах автоблокування. Робочий діапазон температур навколишнього середовища для апаратури знаходиться в межах від -40 до +65°С.

Схеми тональних рейкових кіл

Схема тонального рейкового кола для системи АБ з централізованим розміщенням апаратури представлена на рисунку нижче. Апаратура зв'язана з рейковою лінією за допомогою сигнально-блокувального кабелю з парною скруткою жил.

Амплітудно-модульований сигнал частотою 480/12, який формується колійним генератором 2-4Г, з виводів 2-52 надходить на вхід фільтра 2-4Ф (виводи 11-71). З виходу фільтра (виводи 12-61) він надходить в кабельну лінію. Послідовно з виходом фільтра на кодованих рейкових колах вмикається розділовий конденсатор ємністю 4 мкФ, що слугує для підключення колійної передавальної апаратури системи АЛС. 

Кабельна лінія слугує для з'єднання апаратури ТРК, яка розміщується в релейному приміщенні на посту ЕЦ або в релейній шафі, з пристроями рейкових кіл, які розташовуються в колійних ящиках ПЯ безпосередньо біля рейкової лінії. В колійних ящиках встановлюються: розрядники (FV), вирівнювачі, узгоджувальні колійні трансформатори (ПТ), захисні резистори (R3), автоматичні вимикачі (QF).

Кабельна лінія підключається до первинної обмотки узгоджувального колійного трансформатора ПТ типу ПОБС-2М (виводи І1 та І4). Паралельно первинній обмотці трансформатора вмикаються розрядники FV, які слугують для захисту апаратури від перенапруг.

Коефіцієнт трансформації трансформатора ПТ вибраний виходячи з умов виконання нормального, шунтового та контрольного режимів роботи ТРК і забезпечення необхідної зони додаткового шунтування. В типовій схемі ТРК він дорівнює 38.

В якості узгоджувального колійного трансформатора можуть використовуватися також і дросель-трансформатори типу ДТ-0,2, ДТ-0,6 і ДТ-1, коефіцієнт трансформації яких складає відповідно 40, 38 і 3. Кабельна лінія у випадку використання ДТ-0,2 або ДТ-0,6 підключається до додаткової обмотки дросель-трансформатора, а розрядник встановлюється на посту ЕЦ на кросовому штативі в місці розділки кабелю.

У випадку використання в якості узгоджувального трансформатора дросель-трансформатор типу ДТ-1 на ділянках з електротягою змінного струму він вмикається через додатковий трансформатор ПОБС-2М з коефіцієнтом трансформації 13,3. 

Захисні резистори R3 необхідні для забезпечення потрібного опору живлячого і прийомного кінців, а також для захисту колійного узгоджувального трансформатора і апаратури ТРК від дії тягового струму.

В схемі ТРК сумарний опір захисного резистора в колійному ящику і з'єднувальних перемичок  від колійного ящика до рейок має бути в межах 0,3-0,4 Ом на частоті сигнального струму АЛС.

Автоматичні вимикачі QF слугують для захисту колійної апаратури ТРК від перенапруг тягової мережі або інших джерел. В схемі ТРК використовується автоматичний вимикач на номінальний струм 15 А. 

Отже, сигнальний струм ТРК з живлячого кінця від генератора 2-4Г через трансформатор 2-4ПТ, резистор R3 та автоматичний вимикач QF надходить в рейкову лінію і на приймальний кінець ТРК, наприклад, 4-6РК. На приймальному кінці використовуються аналогічні пристрої узгодження, розміщені в колійному ящику ПЯ і описані вище. Сигнал через кабельну магістраль надходить на вхід колійних приймачів суміжних ТРК 4ПП і 6ПП.

Як правило, на перегоні у випадку використання ТРК в одну кабельну пару включають два колійних приймача послідовно. Крім того, для підключення колійних передавальних пристроїв АЛС послідовно з входами колійних приймачів включають розділовий конденсатор ємністю 4 мкФ.

Вхідний фільтр колійного приймача виділяє із сукупності сигналів, які надходять з рейки, тільки свій робочий сигнал. Тому послідовне включення колійних приймачів в одну кабельну лінію не перешкоджає роздільній роботі апаратури суміжних ТРК.

У випадку вступу поїзда на рейкове коло або порушення цілісності рейкової лінії рівень сигналу ТРК на вході відповідного приймача знижується нижче порогу відпускання, і  він фіксує зайнятість ділянки шляхом знеструмлення колійного реле, увімкненого на виході.

В системі АБ з децентралізованим розміщенням апаратури ТРК в релейних шафах (АБТ) уздовж перегону в зоні встановлення світлофора використовуються високочастотні рейкові кола ТРК4. Схема тональної рейкових кіл в системі АБ з децентралізованим розміщенням апаратури представлена нижче.

Відмінністю даної схеми РК від схеми з централізованим розміщенням апаратури є можливість сумісного увімкнення колійних приймачів ПРЦ4Л1 та ПП1, а також приймача ПРЦ4Л1 та колійного генератора ГП3. Це можливо завдяки різним діапазонам сигналів, що використовуються в рейкових колах ТРК3 та ТРК4. Сигнал низькочастотного рейкового кола високого рівня (до 80 В) практично не впливає на роботу приймача високочастотного рейкового кола за рахунок дуже низького вхідного опору (одиниці Ом) приймача ПРЦ4Л1 на сигнальній частоті ТРК3.

Довжина з'єднувального кабелю при децентралізованому розміщенні апаратури, як правило, не перевищує 1 км, і тому основні захисні функції рейкового кола від перенапруг виконують елементи, які розташовуються в колійному ящику ПЯ безпосередньо біля рейкової лінії.

В системі АБ з тональними рейковими колами можуть також використовуватися дросель-трансформатори для вирівнювання тягового струму в рейках, для підключення міжколійних перемичок, відсосів тягового струму і заземлення конструкцій та споруд на рейкову лінію.