Введение

Электрическое устройство, используемое для обнаружения поездов на железнодорожных путях, электрическое устройство, используемое на железных дорогах.

Рельсовая цепь – это электрическое устройство, используемое для подтверждения отсутствия поезда на железнодорожных путях диспетчерам и управления соответствующими сигналами. Альтернативой рельсовым цепям являются счетчики осей.

Принципы и функционирование

Основной принцип работы рельсовой цепи заключается в замыкании электрической цепи колесами и осями локомотивов и вагонов при их контакте с рельсами. Эта цепь контролируется электрическим оборудованием для определения отсутствия поезда на участке. Поскольку рельсовая цепь является устройством обеспечения безопасности, ее безотказная работа имеет первостепенное значение. Поэтому цепь сконструирована таким образом, чтобы при возникновении неисправностей сигнализировать о присутствии поезда. С другой стороны, ложные показания о занятости пути дезорганизуют работу железной дороги и должны быть сведены к минимуму. Рельсовые цепи позволяют системам сигнализации работать в полуавтоматическом режиме, подавая сигналы поездам для снижения скорости или остановки при наличии занятого участка пути впереди. Они помогают диспетчерам и операторам предотвращать аварии, предоставляя информацию о занятости пути и не допуская выдачи небезопасных сигналов.

Основная схема

Типичная схема рельсовой цепи имеет питание, подаваемое на каждый рельс, и релейную катушку, подключенную между ними. При отсутствии поезда реле получает питание от тока, идущего от источника питания через рельсы. При наличии поезда его оси замыкают рельсы вместе (шунтируют). Ток в катушку релейного реле падает, и оно обесточивается. Цепи через контакты реле, таким образом, сигнализируют о том, занят ли участок пути или нет. Каждая цепь обнаруживает определенный участок пути, например, блок-участок. Эти участки разделены изолирующими стыками, обычно на обоих рельсах. Чтобы предотвратить ложное питание одной цепи от другой в случае повреждения изоляции, электрическая полярность обычно меняется на противоположную между соседними участками. Цепи питаются от низкого напряжения (1,5–12 В постоянного тока). Реле и источник питания располагаются на противоположных концах участка, чтобы предотвратить электрическую изоляцию части пути от цепи из-за обрыва рельсов. Последовательный резистор ограничивает ток при коротком замыкании в рельсовой цепи.

Схемы под электрификацией

В некоторых схемах электрификации железных дорог для передачи обратного тягового тока используется один или оба ходовых рельса. Это исключает использование базовой релейной схемы постоянного тока, поскольку значительные тяговые токи заглушают очень слабые токи релейной схемы. Если на главном пути или на расположенных рядом путях используется тяга постоянного тока, то релейные схемы постоянного тока использовать нельзя; аналогично, если используется электрификация переменным током 50 Гц, то релейные схемы переменного тока 50 Гц также нельзя использовать. Для решения этой проблемы в релейных схемах переменного тока используются сигналы переменного тока вместо постоянного, однако частота переменного тока обычно лежит в диапазоне звуковых частот – от 91 Гц до 10 кГц. Реле настроены на обнаружение выбранной частоты и игнорирование сигналов частоты тягового тока (постоянного и переменного). В соответствии с принципами безопасности, реле интерпретирует наличие сигнала как свободный участок пути, а отсутствие сигнала – как занятый поездом. Сигнал переменного тока может быть закодирован, а локомотивы могут быть оснащены индуктивными датчиками для создания системы кабинного сигнализирования. Существует два основных способа обеспечения непрерывного пути для тягового тока, охватывающего несколько блоков релейной схемы. Самый простой метод предусматривает установку изолирующих соединений релейной схемы только на одном из двух рельсов, при этом второй рельс служит для обратного тока и заземления релейной схемы. Этот метод имеет недостаток: он позволяет обнаруживать обрывы только в одном рельсе, поэтому более распространенная двухрельсовая система использует балластные сопротивления для пропускания тягового тока между изолированными блоками релейной схемы, одновременно блокируя ток на частотах релейной схемы. Релейные схемы переменного тока иногда используются в районах, где условия приводят к появлению блуждающих токов, которые создают помехи для релейных схем постоянного тока.

CSEE UM71

CSEE (ныне Ansaldo STS) UM71 – это еще один тип бесстыковой рельсовой цепи. В ней используются частоты 1700 и 2300 Гц на одном рельсе и 2000 и 2600 Гц на другом. Чтобы снизить вероятность ложных срабатываний из-за блуждающих токов, частота модуляции рассчитывается путем деления основной частоты на 128. Различные скорости модуляции могут быть обнаружены оборудованием на поездах и использованы для автоматического управления движением, при условии, что передатчик (Tx) расположен в головной части поезда. Рельсовые цепи EBItrack (ранее TI21) и Westinghouse FS2500 аналогичны UM71.

Устройство для сбора данных

Бессоединительную рельсовую цепь, такую как CSEE, можно разделить с помощью блока приема данных (DPU), что дешевле, чем разделение ее на две рельсовые цепи. DPU позволяет избежать необходимости изменять частоту всей последовательности рельсовых цепей в каскаде. DPU состоит из настроенной катушки, которая определяет наличие или отсутствие тока в смежном рельсе и, соответственно, включает или выключает реле. Одно из применений DPU – в схемах контроля времени. Каждая частота рельсовой цепи имеет свой собственный DPU, настроенный на эту частоту. DPU можно размещать практически где угодно; они устраняют ограничение, связанное с минимальной длиной бесстыковых путей.

Отрезание дорожек

Если длина участка превышает практическую длину участка цепи пути, могут быть предусмотрены перерывы в цепи пути. При наличии перерыва в цепи пути, реле последнего участка цепи пути отключает питание предыдущего участка, и так далее. Перерывы в цепи пути подходят только для однопутных участков. Участки цепи пути с загрязненным балластом будут иметь меньшую длину, чем участки с хорошим балластом, и, следовательно, потребуют большего количества перерывов в цепи пути.

Высоковольтные линии

Одной из распространенных марок высоковольтных импульсных цепей (HVIT) является цепь производства Jeumont Schneider. Высокое напряжение проникает сквозь ржавчину и другие дефекты. HVIT передает два импульса попеременно: узкий положительный импульс напряжением около 100 В постоянного тока и более широкий отрицательный импульс напряжением около 30 В постоянного тока. Энергия обоих импульсов одинакова. На приемном конце RC-цепь интегрирует эти два импульса, которые должны иметь правильное соотношение для срабатывания реле. RC-цепи контролируют правильную фазу положительного и отрицательного импульсов. Оба импульса работают на частоте около 1 Гц. Цепь может работать на линиях, электрифицированных переменным и постоянным током, при использовании дополнительного оборудования.

Однорельсовые и двухрельсовые

В неэлектрифицированных районах изолированные блок-стыки устанавливаются парами, по одному на каждую рельсу. В электрифицированных районах необходимо предусмотреть обходное решение для обеспечения возврата тягового тока, величина которого исчисляется тысячами ампер, к тяговой подстанции. Этого можно достичь, исключив изолированные блок-стыки на одном из рельсов, называемом возвратным. Если обе рельсы должны обеспечивать прохождение большого тягового тока обратного направления, то изолированные блок-стыки устанавливаются на обеих рельсах, а для обхода изолированных стыков используются импедансные перемычки, предназначенные для пропуска тягового тока. Импедансные перемычки по сути представляют собой катушки с центральным отводом, которые обеспечивают низкое сопротивление тяговому току на частоте, например, 50 Гц, и высокое сопротивление сигнальному току на частоте, например, 1,7 кГц.

Колеса и тормоза

Железнодорожные колеса изготавливаются из стали и обеспечивают хорошее короткое замыкание между рельсами (шунтовое сопротивление). Более длинные поезда с большим количеством колес обладают лучшей проводимостью. Короткие поезда, легкие рельсовые автобусы или одиночные локомотивы могут представлять проблему. В Новой Зеландии возникали проблемы с обнаружением легких рельсовых автобусов класса Rm; см. статью «Железнодорожная сигнализация в Новой Зеландии». Поезда с одним рельсовым автобусом Budd, которые также легкие и оснащены дисковыми тормозами, испытывали некоторые трудности при остановке и должны были совершать двойную остановку, чтобы обеспечить хороший контакт с рельсами. Тормозные колодки из чугуна, как правило, очищают колеса от непроводящего мусора (например, листьев и песчаных составов для улучшения сцепления), в то время как дисковые тормоза этого не делают. В результате некоторые транспортные средства с дисковыми тормозами оснащены "скруббер-накладками" для очистки колес и обеспечения правильной работы рельсовых цепей.

Реле

Реле трассовых цепей, которые специалисты по обслуживанию сигнализации называют "жизненно важными реле", специально разработаны для снижения вероятности отказов, приводящих к небезопасной работе. Например, они могут быть оснащены контактами из углеродного серебра, чтобы уменьшить вероятность залипания неверных контактов после скачков напряжения и ударов молнии.

Неисправности цепей

Схема контура разработана таким образом, что подавляющее большинство отказов вызовет индикацию "путь занят" (известный как отказ с правой стороны). Например:
Обрыв рельса или провода разорвет цепь между источником питания и реле, обесточив реле. См. исключение ниже. Отказ источника питания обесточит реле. Короткое замыкание между рельсами или между соседними участками пути обесточит реле. С другой стороны, возможны режимы отказа, при которых цепь не сможет обнаружить поезд (известные как отказ с левой стороны). Примеры включают:
Механический отказ реле, из-за которого реле заклинит в положении "путь свободен", даже когда путь занят. Один корпус из плексигласа деформировался от жары и коснулся контактов реле, удерживая их. В другом реле соскочила металлическая шайба и заклинила контакты реле; полушайбы пришлось заменить на целые. Условия, частично или полностью изолирующие колеса от рельсов, такие как ржавчина, песок или сухие листья на рельсах. Это также известно как "плохое шунтирование" ("отсутствие шунтирования" в Северной Америке и Австралии). Песочница, работающая на всех колесах легкого локомотива, может временно изолировать его от рельсов, пока не прекратится подача песка и локомотив не продвинется дальше по пути. Если для возврата тягового тока существует несколько параллельных путей, обнаружение обрыва рельса будет потеряно для рельса, используемого для возврата тяги. Если в этом рельсе произойдет более одного обрыва, может возникнуть ложное показание свободного пути, когда поезд находится между обрывами. Условия в балластной призме, создающие блуждающие электрические сигналы, такие как загрязненный балласт (который может создавать "эффект батареи") или паразитные токи от близлежащих линий электропередач. Паразитные колебания в оборудовании, управляющем рельсовыми цепями.

Масштаб

Изолированные блочные стыки в определенных обстоятельствах могут быть перекрыты колесной парой, что может привести к выходу из строя одного или двух участков автоматической локомотивной сигнализации (АЛС). Эту проблему можно уменьшить, установив пару блочных стыков последовательно на расстоянии около 4 метров друг от друга. Сам 4-метровый участок при этом не оборудуется участковой изоляцией.

Иммунизация

Электровозы должны избегать генерации шума на частотах, используемых в рельсовых цепях. У локомотивов серии 13 SNCB возникали подобные проблемы.

Переходные проблемы

Небольшой, лёгкий и быстрый поезд, проходящий через изолированный блок-соединение, может исчезнуть из зоны действия отходящего рельсового контура до того, как будет обнаружен в зоне действия прибывающего рельсового контура, что может привести к выдаче ложных сигналов «свободный путь». Эту проблему можно решить, внедрив временную задержку, например, 1–2 секунды, в отходящий рельсовый контур. Электронные рельсовые контуры, такие как CSEE, могут легко обеспечить такую временную задержку.

Участие в выезде

Иногда бывает удобно подключать детекторы положения стрелочного перевода к цепи контроля занятости пути через сами стрелочные переводы. Это можно сделать двумя способами:
Контакт детектора стрелочного перевода может замыкать цепь контроля занятости пути, когда стрелочный перевод находится в положении "обратное", переводя сигналы на красный, однако это не является отказобезопасным. Цепь контроля занятости пути можно разделить дополнительными изолирующими муфтами, а детекторы стрелочного перевода замыкают цепь, когда стрелочный перевод находится в нормальном положении, и сигнал имеет право показывать зеленый свет. Это частично отказобезопасно. На стрелочном переводе можно установить второе реле, с контактами которого последовательно включено основное реле. Это отказобезопасно, но дорогостояще.

Клипсы для управления на рельсовых контурах

Простым элементом оборудования безопасности, который имеется на всех поездах на тяжелой железной дороге в Великобритании, является клипса цепи пути (TCOC). Это отрезок провода, соединяющий два металлических пружинных зажима, которые крепятся к рельсу. В случае аварии или препятствия клипса, установленная на обоих рельсах, укажет, что данный участок пути занят, переводя сигнал на этом перегоне в положение "опасность". Процедура аварийной защиты. Безопасная схема цепи пути была изобретена в 1872 году Уильямом Робинсоном, американским инженером-электриком и механиком. Его внедрение надежного метода обнаружения занятости участка стало ключевым для разработки автоматических систем сигнализации, которые сейчас используются практически повсеместно. Первые железнодорожные сигналы обслуживались вручную сигнальными диспетчерами или агентами станций. Решение о смене показания сигнала часто оставлялось на усмотрение оператора. Человеческая ошибка или невнимательность иногда приводили к неправильной сигнализации и столкновениям поездов. Внедрение телеграфа в середине XIX века показало, что информацию можно передавать по электричеству на значительные расстояния, что стимулировало исследования методов электрического управления железнодорожными сигналами. Хотя до Робинсона было разработано несколько систем, ни одна из них не могла автоматически реагировать на движение поездов. Робинсон впервые продемонстрировал полностью автоматическую систему железнодорожной сигнализации в виде модели в 1870 году. Полноразмерная версия была впоследствии установлена на железной дороге Филадельфия и Эри в Лудлоу, штат Пенсильвания (также известном как Кинзуа, штат Пенсильвания), где она доказала свою практичность. Его конструкция состояла из электрически управляемых семафоров, расположенных на небольших сигнальных будках вдоль пути, и основывалась на разомкнутой цепи пути. Когда в перегоне не было поезда, на семафор не подавалось питание, что указывало на свободный путь. 22 июня 2009 года произошло столкновение поездов в Вашингтонском метрополитене, вызванное возникновением паразитных колебаний в модуле управления цепью пути.