CC BY
45
УДК 621.331:621.311.4:621.3
О. А. Сидоров, М. А. Карабанов
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИГНАЛЬНОЙ ТОЧКИ
В статье рассмотрена схема питания сигнальной точки, для которой были исследованы в разных режимах работы наиболее важные функциональные узлы (рельсовые цепи, аппаратура преобразования информации и светофор), которые являются типовыми как для перегонных устройств, так и для станционных. Установлено, что отклонение напряжения питания этих устройств может привести к значительным негативным последствиям, существенно нарушающим условия безопасности движения поездов.
Устройства сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) представляют собой функционально сложные системы, состоящие из определенного количества структурных узлов, работоспособность которых в различной степени напрямую зависит от напряжения питания ип.
Для анализа влияния отклонения напряжения питания 17и рассмотрим обобщенную структурную схему сигнальной точки СЦБ, приведенную на рисунке, где ПК и РК - аппаратура питающего и релейного концов рельсовой цепи (РЦ) соответственно; ПР - путевое реле, контролирующее свободность РЦ; г - сопротивление, осуществляющее регулирование путевого тока /пк на входе рельсовой нити для достижения требуемой величины тока /рк на выходе рельсовой нити; ПИ - аппаратура сигнальной точки, предназначенная для преобразования информации, полученной от РК или других объектов, что необходимо для функционирования сигнальной точки СЦБ; Св - светофор сигнальной точки; 7УЛ - линейный трансформатор, преобразующий переменное напряжение В Л СЦБ 6 или 10 кВ в напряжение питания 17и сигнальной точки, где 17и = 220 В; Т¥и - путевой трансформатор сигнальной точки. Направление движения поездов по рассматриваемому участку пути показано на рисунке стрелкой.
Основными и наиболее значимыми функциональными узлами сигнальной точки, работоспособность которых зависит от напряжения питания, являются питающий конец рельсовой цепи (ПК), аппаратура преобразования информации (ПИ) и светофор (Св). Для определения влияния провалов напряжения 17и на функционирование сигнальных точек необходимо отдельно рассмотреть наиболее критичные функциональные узлы сигнальных точек, для которых провалы напряжения могут привести к значительным негативным последствиям.
Показанные на рисунке функциональные узлы являются типовыми для использования как в перегонных устройствах, так и в станционных, поэтому сделанные выводы могут распространяться практически на любые виды устройств СЦБ, находящихся в эксплуатации на железнодорожном транспорте.
Рассмотрим влияние провалов напряжения 17и на работоспособность функциональных узлов сигнальной точки СЦБ, показанных на рисунке.
Одним из наиболее ответственных элементов, обеспечивающих безопасность движения поездов, являются рельсовые цепи, которые выполняют функции контроля свободности и занятости участков пути на станциях и перегонах. Рельсовые цепи могут функционировать в трех режимах работы: нормальном, шунтовом и контрольном. Основными из них являются нормальный режим и шунтовой, так как они в основном обеспечивают установленную пропускную способность участков пути и наиболее полно практически реализуют условия безопасности движения поездов. Для этих режимов работоспособность РЦ должна выполняться в полном объеме.
Критериями работоспособности РЦ является включенное состояние путевого реле при свободности участка пути (нормальный режим работы РЦ) и выключенное его состояние при занятости участка пути подвижным составом (шунтовой режим работы РЦ).
ВЛ СЦБ.
Упрощенная структурная схема питания сигнальной точки СЦБ
Работоспособность РЦ определяется, в частности, значением полного сопротивления рельсовой нити, в которую входят последовательно соединенные рельсы и рельсовые соединители. Полное сопротивление обусловлено активной и индуктивной составляющими рельсовой нити.
Зависимость напряжения Up на путевом реле от напряжения питания Uu и параметров рельсовой цепи носит комплексную форму, имеет сложный многофакторный характер и определяется параметрами, точное прогнозирование которых чрезвычайно затруднительно, а иногда практически невозможно. Это определяет необходимость введения определенных, но достаточно корректных допущений.
Для дальнейшего анализа примем, что зависимость между Uu и Up имеет вид [1]:
(1)
где Жрц - обобщенная функция РЦ, в которую входит все многообразие параметров рельсовой нити и аппаратуры питающего и релейного концов РЦ, определяющих характеристики передачи энергии сигнального тока от источника 17и на путевое реле. Примем, что функция ¡¥\>\ [ является линейной для измерений токов и напряжений, существующих в элементах РЦ.
Условием работоспособности РЦ для нормального режима работы служит выполнение неравенств:
U„ > U,
рПР"
/ > /
(2)
рПР:
где Up пр и /р пр - напряжение и ток надежного притяжения якоря ПР.
Как видно из сравнения уравнений (1) и (2), любое увеличение напряжения Uu, в том числе и выше заданных норм, всегда будет удовлетворять неравенствам (2). Поэтому в нормальном режиме работы рельсовая цепь будет не чувствительна к выходу за верхний предел напряжения Uu.
=ИВНЕСТИЯ Транссиба 101
Снижение значения напряжения Uu и выход его за пределы допустимых норм приведет к уменьшению тока /р и напряжения Up, что вызовет невыполнение неравенств (2). Кроме того, наихудший случай влияния снижения напряжения Uu на работу РЦ имеет место при минимальном сопротивлении балласта, что приведет к протеканию максимального тока через балласт. Аналогичный вывод можно сделать для случая, когда сопротивление рельсовых нитей максимально.
Таким образом, уменьшение напряжения Uu и выход его величины за пределы допустимой нижней нормы могут вызывать ложную занятость РЦ с соответствующими возможными задержками поездов.
Надежная работа РЦ в шунтовом режиме характеризуется необходимостью гарантированного выключенного состояния ПР для обеспечения контроля за местом нахождения подвижного состава. Это обусловливает необходимость выполнения неравенств:
I <1 , (3)
р ротп'
где Up отп и /р отп - напряжение и ток надежного отпускания якоря ПР.
Как видно из неравенств (3), любое снижение напряжения Uu, в том числе и ниже заданных норм, всегда будет удовлетворять неравенствам (3). Поэтому в шунтовом режиме работы рельсовая цепь не будет чувствительна к выходу за нижний предел напряжения Uu.
Критичным для данного режима работы является увеличение напряжения Uu. Это приведет к увеличению напряжения Up на путевом реле, что может обусловить невыполнение неравенств (3) и вызвать появление ложной свободности рельсовой цепи, которое нарушит условия безопасности движения поездов.
Не менее важным функциональным узлом сигнальной точки СЦБ является аппаратура преобразования информации устройств СЦБ, которую можно разделить на две основные группы. К первой из них относятся электромагнитные реле и некоторые электронные приборы, которые допускают относительно большие изменения напряжения Uu [2], а также не только традиционные устройства СЦБ, обеспечивающие контроль участков пути и выполняющие соответствующие взаимосвязи между стрелками и сигналами, но и такие, как ДИСК, КТСМ, УКСПС, АСК-ПС, САУТ и другие, выполняющие функции контроля состояния подвижного состава в пути следования, передачи информации и т. п. Ко второй группе относят аппаратуру, для которой стабильность напряжения питания Uu электронных элементов, например интегральных микросхем (ИМС), является одним из основных факторов ее надежного функционирования. Очевидно, что первая группа аппаратуры относится к традиционным и широко распространенным на сети дорог устройствам СЦБ, а вторая - к новым и перспективным, например, микроэлектронным системам, внедрение которых происходит на железнодорожном транспорте в настоящее время.
Надежная работа аппаратуры СЦБ, относящейся к первой группе, возможна тогда, когда напряжение питания сигнальных точек лежит в пределах допустимых норм. В ряде случаев стабильности напряжения питания можно добиться путем введения в аппаратуру сигнальных точек специальных стабилизаторов напряжения. Однако на практике такие стабилизаторы часто отсутствуют и поэтому качество питающих напряжений Uu обеспечивается путем принятия нестандартных мер, которые во многих случаях противоречат правилам эксплуатации, вызывают задержки поездов и в некоторых случаях могут нарушить условия безопасности движении [1].
При электротяге первичным источником электроснабжения устройств СЦБ является тяговая подстанция, у которой имеется объективно существующая нестабильность напряжения в определенных режимах работы, подробно описанных в работе [2].
Наиболее радикальным средством повышения качества напряжения является стабилизация напряжения Uu непосредственно на входе каждой сигнальной точки. Попытка исполне-
юг ИЗВЕСТИЯ Транссиба | И
ния стабилизирующих устройств в системе электроснабжения сигнальных точек была реализована в трансформаторной подстанции КТПОЛ-1,25/10(6)-0,22У1, эксплуатирующейся на ряде железных дорог [3 - 5]. Стабилизация напряжения в этой подстанции осуществляется путем переключения отводов вторичной обмотки линейного трансформатора при помощи двух симисторных ключей, что позволило получить двухпозиционное дискретное регулирование выходного напряжения.
Однако, как показал теоретический анализ работы и практический опыт эксплуатации этой подстанции в существующих системах электроснабжения устройств СЦБ, двухпозици-онный принцип регулирования не обеспечивает требуемой стабильности напряжения Uu при воздействиях дестабилизирующих факторов. При сохранении прежнего дискретного принципа регулирования требуется увеличение количества позиций переключения, а это приводит к существенному усложнению устройства стабилизации. Кроме того, использование дискретного принципа переключения переменного напряжения вызывает определенные трудности в выполнении норм коммутационных режимов полупроводниковых приборов. Поэтому более рациональным является оптимизации режимов работы первичного источника, т. е. тяговой подстанции, направленная на стабилизацию и повышение качества напряжения.
Ко второй группе относится также современная и перспективная высокоинтеллектуальная электронная аппаратура с использованием интегральных микросхем, которая строится, как правило, на микропроцессорных функциональных узлах с устройствами памяти.
Отклонение напряжения может вызвать серьезные сбои в работе этой аппаратуры. Более тяжелые последствия могут возникнуть при кратковременном пропадании питающего напряжения. В этом случае во время спада и последующего увеличения постоянного напряжения, питающего логические интегральные микросхемы, возникают ситуации, когда нулевые и единичные уровни напряжения при взаимодействии их с соответствующим напряжением платы BIOS, в которой имеется автономный электрохимический источник электропитания, могут привести к непредсказуемым последствиям в работе аппаратуры. Аппаратура информационных комплексов в таких случаях может перейти в режим самоконтроля, что приводит к перерыву связи, стиранию информации, срабатыванию защиты и т. п. [6].
При наличии источников вторичного электропитания (ИВЭПов) особое внимание следует уделять комплексным сопротивлениям линейного трансформатора, характеристикам BJT СЦБ и других элементов, входящих в состав системы электроснабжения сигнальных точек. Как описано в источнике [1], если величины сопротивлений значительны, то требуется принимать меры по исключению включения стабилизированного ИВЭПа при малых значениях напряжения питания Uu сигнальной точки. Это обычно реализуется в схемах ИВЭПов введением специальных пороговых устройств включения, допускающих работу схем лишь при напряжении, большем заданного порогового. Поэтому нельзя допускать снижения напряжения питания сигнальной точки ниже минимально допустимого значения, установленного стандартом [7] и руководящими документами [8].
Одним из основных элементов любой сигнальной точки является в настоящее время светофор. Подавляющее большинство светофоров на сети дорог используют традиционные лампы накаливания, работоспособность которых и видимость сигналов светофоров в значительной степени определяется напряжение питания Uu. Понижение напряжения на лампе на 20 % по сравнению с номинальным уменьшает видимость сигнала светофора на 30 % [9], что существенно отражается на безопасности движения поездов.
Таким образом, наиболее чувствительными к изменению напряжения Uu являются такие важные функциональные узлы устройств СЦБ, как рельсовые цепи, лампы накаливания светофоров и аппаратура преобразования информации. Провалы напряжения могут привести к ложной занятости РЦ в нормальном режиме работы, что вызывает задержки поездов. Одновременно с этим могут иметь место отказы, нарушающие условия безопасности движения поездов, что имеет место при перекрытии маневровых сигналов, и уменьшение видимости сигнала светофоров. Наиболее действенным средством повышения надежности функциони-
№ 1(5) 2011
рования и исключения случаев ложной работы устройств СЦБ является улучшение качества напряжения питания Uu.
На основании проведенного в статье анализа предлагается исключить случаи провалов напряжения, обусловленные переходными процессами при коммутации преобразовательных агрегатов на тяговых подстанциях. Достигается это путем минимизации броска тока включения в трансформаторе, который вызывает снижение напряжения на шинах 10 [2] (от которых получают питание устройства СЦБ) за счет падения напряжения на элементах энергосистемы.
Список литературы
1. Набойченко, И. О. Совершенствование и разработка систем электроснабжения устройств СЦБ [Текст]: Дис... канд. техн. наук. - Екатеринбург, 2008. - 178 с.
2. Сидоров, О. А. Влияние системы тягового электроснабжения на надежность электропитания устройств СЦБ и связи [Текст] / О. А. Сидоров, П. В. Тарута, М. А. Карабанов // Транспорт Урала. 2009. - № 4. - С. 95 - 97.
3. Аржанников, Б. А. Блок контроля и управления электропитанием сигнальной точки СЦБ [Текст] / Б. А. Аржанников, И. О. Набойченко, J1. А. Фролов // Теория и практика железнодорожных и промышленных систем и приборов автоматики, информатики и связи: Межвуз. сб. науч. тр. / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург, 2003. - Вып. №23 (105).-С. 14-18.
4. Аржанников, Б. А. Режимы работы трансформатора электропитания сигнальных точек СЦБ [Текст] / Б. А. Аржанников, И. О. Набойченко, А. Е. Ушаков // Современные информационные технологии, электронные системы и приборы железнодорожного транспорта: Сб. науч. тр. / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург, 2005. - Вып. 36 (119). - С. 15-21.
5. Карабанов, М. А. Влияние качества электроснабжения на надежность функционирования электронной аппаратуры нетяговых потребителей // Современные направления научных исследований [Текст] / М. А. Карабанов // Труды II междунар. науч.-практ. конф. - Екатеринбург, 2010.-С. 87-89.
6. ЕОСТ 13-109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 33 с.
7. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [Текст]. -М.: Техинформ, 2000. - 191 с.
8. Еерман, J1. А. Устройства и линии электроснабжения автоблокировки [Текст] / J1. А. Еерман, М. И. Векслер, И. А. Шелом. - М. : Транспорт, 1987. - 192 с.
