3.1 Загальні відомості про РК

Призначення і принцип дії РК

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 вільності РК через обмотку реле П протікає струм; якір реле притягнутий, а його загальні і фронтові контакти замкнуті. Ці контакти використовуються в колах управління і контролю (АБ, ЕЦ, АПС тощо). 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. 

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 (рис.вище), які складаються з окремих рейкових ланок, з'єднаних між собою струмопровідними стиковими з'єднувачами 8 для зменшення електричного опору рейкових ниток. В залежності від рода струму на ділянці і обраного способу кріплення до рейки стикові з'єднувачі бувають трьох типів. На ділянках з автономною тягою використовують сталеві штепсельні або приварні з'єднувачі. На електрифікованих ділянках використовують мідні приварні з'єднувачі. 

Рейкові нитки ізольовані одна від одної дерев'яними або залізобетонними шпалами 9 (рис.вище "Улаштування РК"). 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.  

На електрифікованих ділянках біля ізолюючих стиків в рейковій лінії встановлюють дросель-трансформатори ДТ (див. рис. нижче), які забезпечують пропуск зворотного тягового струму по рейкових нитках в обхід ізостиків. ДТ має дві обмотки: основну і додаткову. Основна обмотка має три виводи - два крайніх підключають до рейкових ниток, а середній з'єднують з середнім виводом ДТ суміжної РК. До виводів додаткової обмотки підключають прилади РК.

На релейному кінці (рис.вище "Улаштування РК") 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 залізничної колії.

Класифікація рейкових кіл

Існує велика кількість різних видів РК, що обумовлено необхідністю забезпечення безпеки руху в конкретних умовах експлуатації. 

За принципом дії РК поділяються на нормально замкнуті та нормально розімкнуті. Під нормальним станом РК розуміють такий стан, коли рейкове коло справне і вільне від рухомого складу.

В нормально замкнутому РК (див. рис. нижче) колійне реле і джерело живлення включені на різних кінцях. Тому при вільному стані РК колійне реле знаходиться під струмом, контролюючи вільність РК та справність всіх її елементів, а при зайняті РК рухомим складом колійне реле відпускає якір, чим фіксується зайнятість РК.

В нормально розімкнутому РК (див. рис. нижче) колійне реле П нормально не збуджене, оскільки джерело живлення ПБ і саме реле розміщуються на одному кінці РК. Проходження струму в рейковому колі і збудження колійного реле відбувається тільки при знаходженні на РК поїзда. При вільному стані в нормально розімкнутому РК відсутній контроль справності її елементів, тому такі РК використовуються лише на сортувальних гірках.

Оскільки в нормально замкнутому РК при вільному його стані є контроль справності його елементів, то такі РК в основному використовуються в системах регулювання руху поїздів. Подальша класифікація буде відноситися до нормально замкнутих РК.

За родом живлячого струму РК бувають постійного і змінного струму. РК постійного струму використовуються тільки на ділянках з автономною тягою. РК змінного струму отримали найбільше використання. Вони використовуються на ділянках як з електричною тягою, так і з автономною. РК змінного струму різняться між собою частотою сигнального струму, що подається в рейки.

За способом подачі сигнального струму в рейки розрізняють РК з безперервним, імпульсним, кодовим і частотним живленням.

В РК з безперервним живленням при вільному РК сигнальний струм безперервно надходить в рейкову лінію і колійне реле знаходиться у збудженому стані. В РК з імпульсним живленням при вільному РК сигнальний струм подається в рейки періодично рівномірними імпульсами і колійне реле працює в імпульсному режимі. В РК з  кодовим живленням при вільному РК сигнальний струм надходить в рейки у вигляді кодового сигналу, який містить один, два або три імпульси різної тривалості, і колійне реле працює в кодовому режимі в такт кодам, що подаються. В РК з частотним живленням використовуються сигнали певного діапазону тональних частот.

За способом пропускання зворотного тягового струму в обхід ізостиків розрізняють двониткові та однониткові РК. В двониткових РК зворотний тяговий струм протікає по обох рейкових нитках. Для цього по обидва боки ізостика між рейковими нитками включають два дросель-трансформатора ДТ (див.рис.нижче). Їх середні точки з'єднують між собою перемичкою, забезпечуючи пропускання зворотного тягового струму в обхід ізостиків. Такі двониткові РК забезпечують роботи АЛС і меньше піддаються впливу тягового струму. Тому вони використовуються на кодованих коліях станцій і перегонів.

В однонитковому РК зворотний тяговий струм пропускається по одній рейковій нитці колії (див. рис.вище). Для пропуску зворотного тягового струму Іт між нитками, що відносяться до суміжних РК, встановлюються тягові рейкові з'єднувачі. Однониткові РК найбільш піддаються впливам тягового струму, що знижує надійність їх роботи. Такі РК використовуються на станціях на відгалуженнях колій і стрілочних ділянках при довжині РК до 500 м.

За способом накладання роботи пристроїв АЛС РК можуть бути кодованими з релейного кінця, живлячого кінця, або з релейного і живлячого кінців.

За місцем використання РК поділяють на розгалужені та нерозгалужені. Нерозгалужені РК не мають відгалужень і такими РК обладнують нерозгалужені ділянки: приймально-відправні колії, безстрілочні ділянки в горловинах станцій і блок-ділянки на перегонах. Розгалужені РК влаштовують на розгалужених ділянках колії, тобто в стрілочних зонах станцій.

Режими роботи рейкових кіл

Рейкові кола забезпечують надійність дії СРР і умови безпеки руху поїздів, тому до їх роботи пред'являють ряд вимог. При вільному від рухомого складу РК колійне реле має надійно фіксувати його вільний стан за найнесприятливіших умов роботи. При знаходженні на РК хоча б однієї колісної пари або в разі повного зламу рейки колійне реле повинно відпускати якір і фіксувати зайнятий стан РК за найнесприятливіших умов її роботи. У разі електричного замикання ізостиків і надходження в РК струму від джерела живлення суміжного РК колійне реле не повинно притягувати якір і надійно фіксувати в цьому випадку помилкову зайнятість РК, тобто її несправний стан.

Відповідно до цих вимог РК повинне працювати в трьох основних режимах: нормальному, шунтовому і контрольному. На умови роботи РК в цих режимах впливають незалежні змінні величини: опір баласту і рейок, напруга джерела живлення, причому кожна зі змінних величин у тому чи іншому режимі впливає по різному.

Нормальний (регулювальний) режим відповідає вільному від рухомого складу стану рейкового кола. У цьому режимі через колійне реле протікає струм, за якого якір реле надійно утримується в притягнутому положенні або надійно притягується (при імпульсному живленні) за самих несприятливих для даного режиму умов 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 несприятливих умов 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).

Надійність роботи рейкових кіл

Безперебійна робота систем регулювання руху значною мірою залежить від надійної дії електричних РК. Відмови в роботі РК вносять значні збої в руху поїздів, ускладнюють роботу працівникам служби руху, сприяють виникненню аварійних ситуацій.

Найпоширенішими відмовами в роботі рейкових кіл є пошкодження типу «помилкова зайнятість» і «помилкова вільність».

«Помилкова зайнятість» з'являється, коли за відсутності на РК рухомого складу колійне реле не притягує свій якір. У цьому випадку 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 ізолюючих 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). Таким чином, помилкова зайнятість рейкового кола може бути через відсутність або поганий контакт в рейковому з'єднувачі, під час замикання рейок металевим предметом, пробою ізоляції в ізостиках, забрудненість баласту, ненадійне електроживлення, обрив кабельних і дросельних перемичок.

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

- незабезпечення шунтової чутливості РК

- спрацьовування колійного реле від іншого стороннього джерела живлення (джерела живлення суміжного РК у разі замикання ізостиків і порушення чергування полярностей, перешкоди тягового струму на ділянках з електротягою, збільшення опору поїзного шунта та ін.).

В основному незабезпечення шунтової чутливості РК відбувається через різке збільшення 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 головкою рейки. Одиночний локомотив і автодрезина також погано шунтують РК, оскільки опір скатів 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 «помилкову вільність колії».

Для попередження втрати шунтової чутливості 

1) не можна допускати забруднення головок рейок піском, снігом, шлаком та іншими матеріалами; 

2) роботи, пов'язані із забрудненням головок рейок, необхідно виконувати за згодою чергового по станції після запису керівника робіт у Журналі огляду; 

3) періодично обкатувати малодіяльні РК для того, щоб не допускати іржі на голівці рейок; 

4) не залишати одиночні локомотиви та дрезини на забруднених рейках; 

5) додатково перевіряти під час снігопадів вільність малодіяльних колій перед прийомом поїзда, уважно слідкувати по табло за шунтуванням РК рухомим складом; 

6) якщо колія приймання чи стрілочна ділянка зайняті рухомим складом більш як добу, повідомити про це електромеханіка.

Для підвищення надійності роботи РК встановлюють додаткові реле на відгалуженнях розгалужених РК; скорочують граничну довжину РК, що дає змогу поліпшити їхню працездатність за зниженого опору баласту, або використовують тональні РК; застосовують водоструменеві колійні машини для повного видалення солей та інших забруднювачів з елементів верхньої будови колії; використовують клеєболтові ізостики, які працюють більш тривало і надійно, а також ізостики зі склопластику; впроваджують надійніші конструкції стикового з'єднувача (струмопровідного стику) - пружинні з'єднувачі, втулкові алюмінієві з'єднувачі та ін., дублюють рейкові з'єднувачі на станціях. Для підвищення безпеки руху поїздів і надійності дії РК влаштовується чергування полярності постійного струму або чергування фаз змінного струму в суміжних РК. Це робиться для того, щоб у разі пошкодження ізоляції (електричне замикання або пробій ізостиків) колійне реле одного РК не змогло отримати живлення із суміжного РК і дати помилковий контроль вільності та справності власного РК.