4.1 Загальна характеристика рейкових кіл

ПРИЗНАЧЕННЯ І ПРИНЦИП ДІЇ РЕЙКОВИХ КІЛ

Рейкове коло - це електричне коло, провідниками якого слугують рейкові нитки колії. Рейкові кола (далі - РК) є основним елементом всіх пристроїв залізничної автоматики і телемеханіки: автоблокування, автоматичної локомотивної сигналізації, електричної централізації стрілок і сигналів, диспетчерського контролю руху поїздів, автоматичної переїзної сигналізації та інших систем. 

В цих системах РК виконують різні та відповідальні функції. Вони автоматично безперервно контролюють стан колійних ділянок на перегонах і станціях і цілісність рейкових ниток, виключаючи можливість прийому поїзда на зайняту колію, не дозволяють перевести стрілку під рухомим составом, а також забезпечують індикацію контролю вільності або зайнятості колій і стрілок на апараті управління; з їх допомогою передаються кодові сигнали на локомотив для роботи пристроїв АЛС, забезпечується ув'язка між показаннями світлофорів в кодовому АБ; в системах переїзної сигналізації  вони забезпечують автоматичний контроль наближення поїздів до переїздів і наступний контроль їх прослідування. Отже, можна виділити основне призначення РК:

• контроль зайнятості ділянки колії;

• контроль цілісності рейкової лінії; 

• забезпечення передачі сигналів на локомотив для роботи АЛС.

При вступі поїзда на РК під дією колісних пар знижується струм (напруга) в обмотках реле. Це явище називається шунтовим ефектом, а колісні пари в даному випадку називаються поїзним шунтом. Реле знеструмлюється. Фронтові контакти розмикаються, тилові - замикаються. 

Колійне реле фіксує не лише зайнятість РК рухомим складом, а й цілісність рейок. У випадку повного зламу рейки порушується коло живлення колійного реле, воно відпускає якір, фіксуючи несправність рейки.

ЕЛЕМЕНТИ РЕЙКОВИХ КІЛ

Рейкове коло як і будь-яке електричне коло має джерело живлення і навантаження (колійне реле), а провідниками електричного струму є рейкові нитки залізничної колії. Електрична схема найпростішого РК (див.рис.нижче) складається з живлячого кінця, рейкової лінії і релейного кінця. На живлячому кінці РК встановлюють акумулятор 2, який працює в буферному режимі з випрямлячем 1 типу ВАК, або колійний трансформатор ПТ (або перетворювач частоти ПЧ), або генератор тональної частоти ГП). Живлення надходить в рейкову лінію через резистор Rо, який забезпечує відпускання якоря колійного реле при зайнятті рейкового кола поїздом (шунтовий ефект РК).

Рейкове коло має дві рейкові нитки 7, які складаються з окремих рейкових ланок, з'єднаних між собою струмопровідними стиковими з'єднувачами 8 для зменшення електричного опору рейкових ниток. 

Рейкові нитки ізольовані одна від одної дерев'яними або залізобетонними шпалами 9. Рейкові лінії суміжних РК розділяють за допомогою ізолюючих стиків 6. 

На релейному кінці сигнальний струм з рейкової лінії приймає колійне реле П постійного або змінного струму, яке фіксує стан РК (зайняте або вільне від рухомого складу) і передає цю інформацію для роботи різних систем регулювання руху поїздів.

Між колійним реле і рейками в деяких видах РК можуть включатися в роботу наступні прилади: ізолюючий або підвищувальний трансформатор, захисний фільтр і т.д. Апаратура живлячого і релейного кінців, розташована в релейній шафі або на посту ЕЦ, кабелем 3 через кабельну стійку 4 або колійну коробку (ящик), встановлені поблизу залізничної колії, тросову перемичку 5 підключається до рейкових ниток.

В залежності від роду тяги на ділянці та обраного способу кріплення до рейки стикові з'єднувачі бувають трьох типів. На ділянках з автономною тягою застосовують сталеві штепсельні або сталеві приварні з'єднувачі. На електрифікованих ділянках, де через стики окрім сигнального струму, протікає тяговий струм великої сили, використовують мідні приварні з'єднувачі.

Рейкові нитки розташовуються на дерев'яних або залізобетонних шпалах 9. При використанні залізобетонних шпал для виключення електричного замикання рейкових ниток через їх металеву арматуру між подошвами рейок і шпалами в місцях їх скріплення встановлюють діелектричні прокладки.

Рейкові лінії суміжних РК розділяють за допомогою ізолюючих стиків 6. Ізостик складається з двох металевих накладок фасонної форми, стягнутих болтами. Болти ізольовані від рейки ізолюючими втулками. Між накладками і рейками встановлені ізолюючі прокладки, а між торцями суміжних рейок - стикова ізолююча прокладка. 

Будь-яка рейкова нитка для електричного рухомого складу виконує роль нижчого потенціалу по відношенню до контактної мережі. Струми, що протікають від локомотива до тягової підстанції, сягають величезних значень, і безумовно можуть вплинути на роботу РК. Для пропуску зворотного тягового струму в обхід ізостиків використовують дросель-трансформатори (ДТ).

ДТ має дві обмотки: основну і додаткову. Основна розрахована на пропуск тягового струму великої сили і має три виводи: два крайніх підключаються до рейок одного РК, а середній з'єднують з середнім виводом ДТ із суміжного РК. До виводів додаткової обмотки підключають прибори РК - колійний трансформатор або колійне реле.

На ділянках з електротягою постійного струму встановлюють колійні дросель-трансформатори ДТ-0,2-1000; ДТ-0,6-1000; ДТ-0,2-500 та ДТ-0,6-500. Їх можна використовувати й на лініях з електротягою змінного струму. Перші цифри означають повний опір змінному сигнальному струму частотою 50 Гц (0,2 і 0,6), другі - значення номінального тягового струму, на пропуск якого розрахована основна обмотка (500 і 1000 А на кожну рейку).

На живлячому кінці РК розташовують прилади, які відправляють в РК сигнальний струм: колійний трансформатор, батарея з буферним зарядним пристроєм, колійний трансмітер, обмежуючий резистор.

На релейному кінці сигнальний струм з рейкової лінії приймає колійне реле, яке фіксує стан РК і керує роботою інших компонентів систем регулювання руху.

Колійний трансформаторний ящик призначений для встановлення трансформаторів, реле та резисторів, запобіжників, які використовуються в РК. В них розпускають сигнальний кабель і встановлюють перемички для підключення приборів до рейок.

Реактори РОБС (реактори однофазні, броневі, сухі) застосовують  в РК змінного струму в якості обмежувача струму при шунтуванні живлячого кінця РК та забезпечення шунтового ефекту.

Колійні і релейні трансформатори ПОБС, ПРТ, ПТ використовують в РК в якості живлячих, ізолюючих та релейних. Розшифровка позначень: П - колійний, О - однофазний, Б - броневий, С - сухий (без трансформаторного мастила), Р - релейний, Т - трансформатор. Трансформатори ПОБС розраховані для роботи на змінному струмі частотою 50 Гц, а ПРТ та ПТ - частотою 25 Гц.

ПЕРВИННІ І ВТОРИННІ ПАРАМЕТРИ РЕЙКОВОЇ ЛІНІЇ

Умови передачі сигналів по рейковій лінії визначаються її первинними параметрами - електричним опором рейок і опором ізоляції між ними, який ще називається опором баласту. 

Питомий електричний опір рейок - це електричний опір обох рейкових ниток (рейкової петлі) з урахуванням опору стикових з'єднувачів, віднесений до 1 км рейкової лінії. Опір рейок залежить від їх типу, стану стикових накладок, від типу і стану стикових з'єднувачів.

Опір рейок постійному струму визначається в основному типом і станом стикових з'єднувачів, оскільки власний опір суцільної рейки малий. Опір рейкової петлі дорівнює сумі обох рейкових ниток. Встановлені наступні нормативні значення питомого опору рейок постійному струму:

- зі сталевими штепсельними з'єднувачами 0,3-0,6 Ом/км;

- зі сталевими приварними з'єднувачами 0,1-0,2 Ом/км.

Повний опір рейок змінному струму виражається модулем і аргументом (фазовим кутом). Нормативні значення питомого опору рейок змінному сигнальному струму частотою 25, 50, 75 Гц наведені в таблиці нижче.

З даної таблиці видно, що опір рейок змінному сигнальному струму, на відміну від опору рейок постійному струму, від типу та стану рейкових з'єднувачів змінюється несуттєво і визначається в основному активним та індуктивним опором самих рейок. 

Опір рейкової петлі змінному струму не є сумою опорів обох рейкових ниток. Фізично це пояснюється явищем взаємної індуктивності рейкових ниток. Струм, що проходить по кожній рейковій нитці, наводить в протилежній ниткці струм взаємоіндукції, який співпадає за напрямком з основним струмом. Розрахунки показують, що опір рейкової петлі і опір кожної рейкової нитки окремо приблизно однакові.

Електричним опором ізоляції (баласту) рейкової лінії називається опір струму витоку з однієї рейкової нитки в іншу через баласт і шпали. Значення опору ізоляції залежить від типу і стану баласту і шпал, арматури кріплення рейок до шпал, наявності зазору між подошвою рейок і баластом, від температури і вологості навколишнього повітря та багатьох інших причин.

Найкращим матеріалом для баластного шару є щебінь, гарні ізоляційні якості проявляє гравій, при піщаному і азбестовому баласті опір ізоляції нижче. Ще більше опір ізоляції залежить від ступеню забрудненості баласту. Навіть щебеневий баласт через декілька років після укладання, забруднившись піском, пилом, шлаком та іншими матеріалами, не завжди забезпечує нормативний опір ізоляції. В умовах експлуатації опір ізоляції може змінюватися в залежності від погоди та інших умов від менше одиниці (влітку після дощу) до 100 Ом*км (взимку в сильний мороз).

На залізницях нашої держави для рейкових кіл постійного і змінного струму для усіх видів баласту встановлена єдина норма мінімального опору ізоляції - 1 Ом*км.

На ділянках з залізобетонними шпалами робота імпульсних рейкових кіл постійного струму ускладнюється через прояв так званого акумуляторного електрохімічного ефекту, коли рейкова лінія в імпульсі накопичує енергію, за рахунок якої в інтервалі імпульсне реле утримує якір; це призводить до збоїв в роботі рейкового кола. Для забезпечення нормальної роботи рейкових кіл в цих умовах розроблені спеціальні схеми, зокрема схема рейкового кола з двополярним живленням.

Процес розповсюдження електричних сигналів в рейковій лінії, як і в будь-якій електричній лінії з розподіленими параметрами, характеризується її вторинними параметрами: коефіцієнтом розповсюдження хвилі і хвильовим опором. Вторинні параметри залежать від частоти сигнального струму, оскільки вони визначаються первинними параметрами.

РЕЖИМИ РОБОТИ РЕЙКОВИХ КІЛ

Нормальний режим характеризується вільним від рухомого складу станом РК. В цьому режимі через обмотку котушки колійного реле протікає струм, при якому якір реле надійно утримується в притягнутому до осердя положенні  або надійно притягується  (при імпульсному живленні) до осердя за самих несприятливих для даного режиму умовах роботи.

Несприятливі умови роботи для РК в нормальному режимі - ті, що призводять до зниження струму в обмотці котушки колійного реле до величини струму відпускання або непритягання якоря:

- збільшення опору РК при порушенні цілісності рейкових з'єднувачів;

- збільшення струму витоку ("утечки") крізь баласт через зменшення опору баласту (забрудення  баласту, несприятливі метеорологічні умови);

- зниження напруги джерела живлення. 

Шунтовий режим настає з моменту вступу на РК колісної пари рухомого складу. Відбувається електричне з'єднання (шунтування) рейкових ниток колісними парами, які мають незначний опір в порівнянні з опором обмотки колійного реле. При цьому напруга на реле має знижуватися до значення напруги відпускання якоря, який повинен бути надійно відпущений за самих несприятливи умовах роботи шунтового режиму.

Несприятливими умовами для роботи РЦ у шунтовому режимі є ті, які призводять до збільшення струму в колійному реле, а саме:

- підвищена напруга джерела живлення;

- найменший опір рейок;

- найбільший опір баласту.

Основною характеристикою роботи рейкового кола в шунтовому режимі є шунтова чутливість - найбільший опір шунта, при замиканні яким рейкової лінії відбувається зниження струму (напруги) в колійному реле до величини струму (напруги) відпускання якоря реле. Ця величина завжди змінна і залежить від кількості колісних пар, що перебувають на РК, а також величини перехідного опору між бандажем колеса і головкою рейки. За чинними технічними умовами шунтова чутливість не повинна бути меншою за 0,06 Ом. Ця найменша величина шунтової чутливості перевіряється накладенням на рейки випробувального нормативного шунта опором 0,06 Ом. Під час накладення цього шунта в будь-якій точці рейкової лінії колійне реле має відпустити якір.

Контрольний режим настає в разі порушення цілісності РК (злам або вилучення рейки, порушення стику). У цьому разі припиняється нормальне проходження струму рейковою лінією і колійне реле має відпустити свій якір за найнесприятливіших умов роботи в контрольному режимі.

Якщо рейка лопнула, через колійне реле може продовжувати протікати струм обхідним шляхом через баласт. Цей струм може виявитися достатнім для утримання якоря колійного реле і контролю рейки, що лопнула, не вийде. Таким чином, найгіршими умовами контрольного режиму будуть:

- підвищена напруга джерела живлення;

- найменший опір рейкових ниток;

- критично низький опір баласту в місці розриву рейкової нитки (коли коло зберігається завдяки витоку струму через баласт).

НЕСПРАНОСТІ РЕЙКОВИХ КІЛ

Найпоширенішими відмовами в роботі РК є пошкодження типів "помилкова зайнятість" і "помилкова вільність".

"Помилкова зайнятість" з'являється в разі, коли за відсутності на РК рухомого складу колійне реле не притягує свій якір, сигналізуючи тим самим про зайнятість контрольованої ділянки. Як наслідок такої несправності стрілки не переводяться, світлофори за маршрутами не відкриваються, на перегонах закривається автоблокування, тобто відбуваються збої в русі поїздів, що впливають на пропускну здатність залізничних ліній.

Однією з головних причин такої відмови в роботі РК є погіршення стану верхньої будови колії, внаслідок чого порушується нормальна робота ізолювальних стиків, рейкових стикових з'єднувачів, які часто виходять з ладу. Засмічення баласту сипучими вантажами, особливо солями і мінеральними добривами, призводить до різкого зниження опору баласту і збільшення струмів витоку через баласт, а також до руйнування елементів верхньої будови колії (рейок, болтів, підкладок, шпал).

Помилкова зайнятість РК може виникнути через:

• відсутність рейкового з'єднувача або поганого контакту в ньому;

• замикання рейок стороннім металевим предметом;

• пробій ізоляції в ізостиках;

• забрудненість баласту;

• ненадійне або знижене електроживлення;

• обрив кабельних і дросельних перемичок, несправності дросель-трансформатора.

Несправність дросель-трансформатора, або кабельних і дросельних перемичок може стати причиною несправності не тільки РК, а й тягової мережі. Це, своєю чергою, у сукупності з несправністю ізостику може стати причиною пошкодження рейкової лінії струмами великої величини, що спричиняють виникнення електричної дуги між кінцями рейок суміжних рейкових ліній, що призводить до руйнування ізостику.

"Помилкова вільність" з'являється, коли при зайнятому рухомим складом РК колійне реле не відпускає свій якір. У цьому разі різко порушується безпека руху поїздів, що призводить до виникнення аварійних ситуацій, які призводять до катастрофи поїздів, до появи можливості переведення стрілки під поїздом, відкриття світлофора на зайняту колію або блок-ділянку.

Причинами помилкової вільності є незабезпечення шунтової чутливості РК або спрацьовування колійного реле від іншого (стороннього) джерела живлення (джерела живлення суміжного РК під час замикання ізостиків і порушення чергування полярностей, завади тягового струму на дільницях з електротягою, дії електричного устаткування рухомого складу та ін.).

Незабезпечення шунтової чутливості РК відбувається через різке збільшення перехідного опору між рейками і колісними парами (опору поїзного шунта). Причинами збільшення опору поїзного шунта є іржа, напресований сніг, лід і бруд на голівці рейок, наявність бітуму і піску на колесах рухомого складу, що збільшує перехідний опір між бандажем колеса і голівкою рейки. Одиночний локомотив і автодрезина також погано шунтують РК, оскільки опір скатів коліс двох або трьох візків занадто великий і напруга на колійному реле знижується, але не до величини напруги відпускання якоря реле, і якір колійного реле залишається притягнутим, фіксуючи хибну вільність колії.

Щоб уникнути втрати шунтової чутливості, не можна допускати забруднення головок рейок піском, снігом, шлаком та іншими матеріалами; роботи, пов'язані із забрудненням головок рейок, необхідно виконувати за згодою чергового по станції після відповідного запису керівника робіт у Журналі огляду; необхідно періодично обкатувати малодіяльні ділянки РК, щоб не допускати утворення іржі на голівці рейок; не залишати одиночні локомотиви та дрезини на забруднених рейках; додатково перевіряти під час снігопадів вільний шлях на голівці рейки, не залишати їх у разі снігопадів.

Для підвищення надійності роботи РК у них застосовують імпульсне або кодове живлення, за якого котушка колійного реле періодично знеструмлюється і якір реле відпускається. Під час чергового імпульсу за наявності шунта (навіть за підвищеного перехідного опору між рейками і колісними парами) величини струму вже не вистачить для притягання якоря реле, і реле залишатиметься у вимкненому стані.

Нині широко впроваджуються тональні рейкові кола, що відрізняються високою надійністю роботи. Такі РК працюють у разі низького опору баласту, без ізолюючих стиків за будь-якого виду тяги поїздів. Апаратура тональних РК забезпечує формування і приймання амплітудно-модульованих сигналів із частотами модуляції 8 і 12 Гц і несучими частотами в діапазоні 420...780 Гц. Особливістю влаштування ТРК є те, що в такому РК встановлюють одне джерело живлення на два РК, а передавальну і приймальну апаратуру розташовують на станціях, що примикають до перегону.