Модели рельсовой линии для рельсовых цепей с адаптивным приёмником Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 656.259.12

МОДЕЛИ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ ДЛЯ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ С АДАПТИВНЫМ

ПРИЁМНИКОМ

© 2010 Ф. Р. Ахмадуллин Самарский государственный университет путей сообщения

Рассматриваются модели рельсовых линий, которые могут быть использованы для анализа и расчёта адаптивных рельсовых цепей, приводятся критерии оценки состояния адаптивных рельсовых цепей, схемы замещения типовой рельсовой цепи с сосредоточенным шунтом адаптивной рельсовой цепью с сосредоточенным и распределенным шунтами. Описанные модели рельсовых линий используются для исследования методов контроля адаптивных рельсовых цепей.

Модель, рельсовая линия, рельсовая цепь, адаптивная рельсовая цепь, схема замещения, шунт.

Одним из достоинств находящихся в эксплуатации типовых рельсовых цепей [1] является большая длина, но имеются и недостатки - это наличие изолирующих стыков, самых ненадежных элементов рельсовых цепей (РЦ), отсутствие достоверного контроля состояния РЛ при пониженном сопротивлении изоляции, сравнительно низкое значение нормативного шунта по сравнению с шунтами других стран. Поэтому становится актуальным вопрос о разработке такой рельсовой цепи, которая смогла бы обеспечить надёжный и достоверный контроль состояния рельсовой цепи при длине рельсовой линии 1 - 2 км и снижении сопротивления изоляции до

0,1 - 0,2 Ом-км, что позволит значительно уменьшить затраты на строительство, эксплуатацию систем интервального регулирования движения поездов (ИРДП) и, что особенно важно, повысить безопасность движения поездов. Такие РЦ были разработаны - адаптивные рельсовые цепи (АРЦ). АРЦ - это РЦ, контроль состояния которой осуществляется с учётом сопротивления изоляции в текущий момент времени [2].

Для анализа рельсовых цепей с адаптивным приёмником приходится учитывать состояние (наличие шунтов, величину сопротивления изоляции каждой РЛ, динамику и диапазон изменения этого сопротивления и т. д.) нескольких рельсовых цепей одновременно, их взаимное влияние друг на друга.

В условиях, когда контроль состояния каждой РЦ зависит от состояния рельсовых линий других участков, необходимо исследоваться модель, которая бы представляла совокупность рельсовых линий. Такую совокупность назовем контролируемой зоной (КЗ). Исследование таких рельсовых цепей существенно отличается от исследования рельсовых цепей с приёмниками релейного действия.

Сложность контроля РЛ состоит в том, что одновременно должны анализироваться напряжения приёмных концов двух или более рельсовых линий КЗ. Для анализа работы АРЦ составлена математическая модель: схема замещения РЦ, аналитические выражения, алгоритм расчёта и программа, которая учитывает токораспределение по всей длине КЗ. Кроме модели РЛ КЗ должен быть разработан и алгоритм контроля их состояния. Для реализации такого алгоритма может быть использована ЭВМ при помощи программы, соответствующей выбранному способу контроля состояния РЛ. Поэтому составным элементом АРЦ, наряду с приборами питающих и приемных концов и рельсовыми линиями КЗ, является многовходовой приёмник с программой контроля состояния адаптивных рельсовых цепей (ПАРЦ). Для анализа достоверности работы АРЦ необходимо исследовать комплекс, состоящий из РЛ КЗ и многовходового приёмника с ПАРЦ. Каждая рельсовая линия КЗ может быть представлена четырехполюсниками (рис. 1), которые в отличие от четырехполюсников

РЛ1

Яши-К-шш С11 Ош

КШ20

г

А21 В2Ы

РЛ2

КШ21 • К-Ш2К

с21 °2Ы

КШ30

2

А31 В3Ы

РЛ3

КШ31 • К-шзы

с31 °3Ы

КШ40

±

О Г

РЛ4

ЯШ41 — ЯШ4К

КШ50

±

Р П

О Г

А51 В5Ы КШ60

РЛ5

КШ51 —КШ5Ы

С51 °5Ы т т

ъ ВХК

я

А

В

В

11

ш

с

О

41

ъ

ВХК

ъ

ъ

ВХК

ВХН

ВХК

ВХН

Рис. 1. Расчётная базовая схема замещения рельсовых цепей контролируемой зоны

рельсовых цепей с пороговым приемником имеют существенные отличия. При определении порога переключения приёмника учитывается изменение сопротивления изоляции и наличие продольной асимметрии.

Контролируемой зоной может быть совокупность компактно расположенных рельсовых линий станции или перегона, контролируемых совместно посредством одного многовходового приёмника. Рельсовые линии контролируемой зоны могут быть свободны или частично заняты, поэтому электрическая модель

контролируемой зоны для анализа АРЦ должна учитывать такую ситуацию. В адаптивных рельсовых цепях нормальный и шунтовой режимы не могут рассматриваться отдельно, так как контроль состояния РЛ зависит от параметров РЛ, в т. ч. и от шунтов, размещённых на них (контрольный режим в этом случае не рассматривается в связи с тем, что по сравнению с другими режимами он наступает реже, и в большинстве случаев это происходит под проходящим поездом, который в этом режиме защитить, а также выявить этот режим практически не представляется возможным, так как гальваническая связь между лопнувшимися рельсами

присутствует практически всегда). Более того, рельсовые линии КЗ для основных режимов (нормального, шунтового) должны быть представлены единой схемой замещения. Первым шагом к созданию обобщённой модели является схема замещения, представляющая рельсовую линию КЗ в нормальном и шунтовом режимах. Одной из таких моделей является

рельсовая линия, представленная рядом четырёхполюсников, которые эквивалентны коротким путевым участкам (от пяти до пятидесяти метров) и поездным шунтам. Кроме того, учитывается влияние смежных рельсовых линий, как с поездными шунтами, так и без них. В зависимости от частоты сигнального тока и сопротивления изоляции возможно влияние шунтов, расположенных на значительных расстояниях от исследуемой рельсовой линии.

Для исследований РЦ с адаптивным приёмником необходимо разработать новую модель рельсовой линии, т.к. известная модель не учитывает изменение сопротивления изоляции, продольную асимметрию.

Схему замещения АРЦ с учётом влияния смежных РЦ можно представить в соответствии с рис. 2 - 5, где Аси, Вен, Сен, Дсп и Ас12, Вс12, Сс12, В12 - коэффициенты четырёхполюсников рассматриваемой РЛ, Ашс, Вшс, Сшс, Вшс - коэффициенты четырёхполюсника РЛ с расположенным на нём распределенным шунтом, 1ВХЛ и 2ВХП представляют собой эквивалентное сопротивление левых и правых смежных рельсовых цепей, 2'ВХН - обратное входное сопротивление начала РЦ, 2ВХК - входное сопротивление конца РЦ, ^шс -

сопротивление шунта, расположенного на рассматриваемой РЛ, иЕ - напряжение эквивалентного генератора.

Схема замещения типовой РЦ представлена на рис. 2. В этой РЦ имеется сосредоточенный шунт. Расчёт нормального и шунтового режимов производится для наихудших значений сопротивления изоляции, т. е. для минимальных и

максимальных соответственно, и не учитывает отражённой волны

(согласованности нагрузки).

Для АРЦ этот расчёт является неполным и не отвечает критериям безопасности, так как здесь учитывается текущее значение ги, которое и является наихудшим (мы не измеряем ги, а по напряжению определяем его), и по нему, строго говоря, производятся все расчёты режимов. И с тем, чтобы не ошибиться, учитывается изменение балласта за время движения поезда. Это и есть диапазон изменения ги. И чем он уже, тем больше длина РЦ (в идеале, если он равен нулю, то длина равна бесконечности). А чем больше время занятости участка, тем дольше учитывается этот диапазон, т. к. за это время балласт мог измениться (намокнуть или высохнуть). К тому же, если в обычной РЦ наихудшим шунтом был шунт одиночного вагона, то в АРЦ его нет, им может быть любой шунт. Любое значение шунта может создать опасную ситуацию, поэтому должно учитываться любое значение шунта.

Схема замещения адаптивной РЦ, где предусматривается распределённый шунт, изображена на рис. 3.

Аналогично представляются и смежные РЦ, так при контроле состояния РЛ рассматриваемой РЦ в АРЦ учитываются и состояния смежных РЛ.

Схемы замещения левых и правых смежных рельсовых цепей с сосредоточенным шунтом приведены на рис. 4,а и 4Д где алш Вшь СЛ1Ь Диш Дп^ Вл12, Сп12, Дп12 и Ап11, Вп11, СП11, Дп11, Ап12, Вп12, Сп12, Дп12 - коэффициенты

четырёхполюсников первых левой и правой смежных РЦ соответственно, ВШЛ1 и ВШП1 -сопротивление шунта, расположенного на РЛ первых левой и правой смежных РЦ соответственно, Дл21, Вл21, Сл21, Дп21, Дл22, BЛ22, СЛ22, Дл22 и ДП2Ь BП21, СП2Ь ДП2Ь ДП22,

Вп22, Сп22, Дп22 - коэффициенты

четырёхполюсников вторых левой и правой смежных РЦ соответственно, ВШЛ2 и ^Шп2 -сопротивление шунта, расположенного на РЛ вторых левой и правой смежных РЦ соответственно, ZВ - волновое

сопротивление.

Рис. 2. Схема замещения рассматриваемой рельсовой цепи с сосредоточенным шунтом

Рис. 3. Схема замещения рассматриваемой рельсовой цепи с распределённым шунтом

гнл

АЛ22 ВЛ22 РЛЛ22

СЛ22 Ол22

АЛ21 ВЛ21

РЛЛ21

СЛ21 Ол21

I

АЛ12 ВЛ12 РЛЛ12

СЛ1 2 Дл12

Яп

АЛ11 ВЛ11 РЛЛ11

СЛ11 Оли

АП11 ВП11

РЛП11

СП11 °П11

Яп

АП12 ВП12 РЛП12

СП12 °П12

Ив

АП21 ВП21

РЛП21

СП21 °П21

Яп

АП22 ВП22

РЛП22

СП22 °П22

гнп

б

Рис. 4. Схемы замещения левых и правых смежных рельсовых цепей с сосредоточенным шунтом

2нл

АШЛ1 ВШЛ1

ШЛл1

- СШЛ1 °ШЛ1

АЛ11 ВЛ11 РЛЛ11

СЛ11 Оли

гвхл <-------

г,

АШП2 ВШП2 ШЛп2

СШП2 °ШП2

НП

АП22 ВП22

РЛП22

СП22 °П22

б

Рис. 5. Схемы замещения левых и правых смежных рельсовых цепей с распределённым шунтом

гв

а

Г

Рис. 6. Общая схема замещения рельсовой цепи

г'в

и

«О

и1

Ае ВЕ

РЛе

СЕ Ое

и?

П

гв

Рис. 7. Эквивалентная схема замещения адаптивной рельсовой цепи

Схемы замещения левых и правых смежных рельсовых цепей с распределенным шунтом представлены на рис. 5, где АШЛ1, ВшЛ1, СшЛ1, ОшЛ1 и АшЛ2, ВшЛ2, СшЛ2, ОшЛ2 -коэффициенты четырёхполюсников РЛ с расположенным на них распределённым шунтом на левых смежных РЦ; АШП1, ВШП1, СшП1, ОшП1 и АшП2, ВшП2, СшП2, ОшП2 -коэффициенты четырёхполюсников РЛ с расположенным на них распределённым шунтом на правых смежных РЦ.

Общая схема замещения адаптивной рельсовой цепи будет иметь вид, изображенный на рис. 6.

Эквивалентная схема замещения адаптивной рельсовой цепи с учётом влияния смежных рельсовых цепей (7ВХЛ и 7ВХП) примет вид, показанный на рис. 7.

Коэффициенты четырёхполюсника рельсовой линии можно представить следующими уравнениями:

$Н(уї)

Л=Б=ск(уі) ; В=

-7ВХ*к(У1);

С=-

7С

для

РЛ с распределёнными параметрами наличием изолирующих стыков;

Л=Б=сИ(уі)+$к(у1) ; В=7Вх$к(у1) ;

2х [ск(уі) (уі)]

и

С=

- для РЛ с

се=Сс-

0Е=0С

С

Ос

В

С

коэффициенты

эквивалентного четырёхполюсника (рис. 7); и1 и 11 - напряжение и ток на питающем конце; и2 и 12 - напряжение и ток на приёмном конце.

Определим входное сопротивление левых смежных рельсовых цепей с сосредоточенным шунтом (РЛЛ1, РЛЛ2 и 2нл). По рис. 4,а матрица четырёхполюсника РЛЛ представляет собой каскадное соединение четырёхполюсников РЛЛ1, РЛЛ2 и 2НЛ. Для определения коэффициентов

четырёхполюсников РЛЛ перемножим матрицы всех четырёхполюсников:

1 0 1

АЛ В

ХЛ

Л

7

1

НЛ

X

22

в

Л 22

СЛ

X

X

X

С

Л 21

Вл

о

Л21

X

СЛ

Вл

о,

X

о,

X

X

распределенными параметрами отсутствии изолирующих стыков,

2

где у=

-, 2в -І

К„

и

при

Зависимость между напряжениями и токами по концам рельсовой цепи имеет вид:

иГи2ХЛЕ+І2ХВЕ

где ЛЕ=ЛС-

ВС

1Ги2хСЕ+12хВЕ

ВЕ=ВС

X

Я

ШЛ1

где 2х

X

\Л11

С

Л11

НЛ

7 7

_ ^в^вхн

7 +7

В

Л11

о

Л11

Входное четырёхполюсника РЛЛ следующему уравнению:

вхл

= 7НЛХЛЛ +ВЛ

7 нл хСл +Ол

где 7

сопротивление вычислим по

НЛ

7вх7в.

7 +7'

^ г? 1 г?

(1)

I

І1

2

Г

Р

В

При /2=0 получим 7В

С

(2)

Л

Аналогичные вычисления с учётом рис. 4,б сделаем для правых смежных рельсовых цепей (РЛП1, РЛП2 и 7НП):

1 0

АП Вп

Сп Оп

1

х

Аг

СП

ВП

Бт

х

1 0

х 1 1 х

^ШП 2

1 0

х 1 1 х

7' ■^ВХН

1 0

х 1 1 х

^ ШП1

А

СП

А

СП

ВП

Бт

ВП

Бт

х

х

П11

В

Бт

П11

где 7Н

7 7

. ^В^ВХК

7 +7

т> 1 ;

ВХК

Входное четырёхполюсника РЛП следующему уравнению:

сопротивление вычислим по

= 7нпхАп +Вп 7нпхСп +°п

где 7

7„ *7

ВХК

НП

При 12=0 получим 7В

7 В

А

Сп

(3)

(4)

Л

В

Л

С Л вг

1

7

1

НЛ

х

*Л 22

СЛ

В

о,

Л22

х

ШЛ2

В

ШЛ2

С

ШЛ2

х

7

0 0

1

ШЛ2

Л21

В

Л21

С

ВХК

х

ХЛ12

СЛ

Л21 В Л12

-0 Л12

о

Л21

х

А В

лШЛ1 ШЛ1

С о

ШЛ1 ^ШЛ1

Л11

В

Л11

С

вт

Л11 ^Л11

Входное сопротивление

четырёхполюсника РЛЛ вычислим (1). При /2=0 получим (2).

Аналогичные вычисления с учётом рис. 5,б сделаем для правых смежных рельсовых цепей (РЛП1, РЛП2 и 7НП):

0

АП ВП

Сп Б п

ъ

1

НП

х

П22

П22

В

б

П22

П22

х

ШП2

В

ШП2

С

ШП2

о

ШП2

П21

В

П21

С

х

1 0

1 1 х

7' ВХН

ШП1

В

ШП1

Сп

П21

Вг

Бт

*пп

о

П21

х

В

П11

С

П11

о

П11

Теперь определим входное

сопротивление левых смежных рельсовых цепей с распределённым шунтом (РЛЛ1, РЛЛ2 и ЪНЛ). По рис. 5,а матрица

четырёхполюсника РЛЛ также представляет собой каскадное соединение

четырёхполюсников РЛЛ1, РЛЛ2 и Ъщ. Для определения коэффициентов

четырёхполюсников РЛЛ перемножим матрицы всех четырёхполюсников:

10

'ШП1 ^ШП1

Входное сопротивление

четырёхполюсника РЛП вычислим по (3). При /2=0 получим (4).

Для средней рельсовой линии (РЛс) с сосредоточенным шунтом с учётом рис. 2 матрица четырёхполюсника примет вид:

х

х

Ас В О АС11 ВС11

Сс Б О с С11 Б сп

Я

х

С12

С12

В

Б

С12

С12

Аналогично для средней рельсовой линии (РЛС) с распределённым шунтом с учётом рис. 3 матрица четырёхполюсника будет иметь вид:

АС ВС

Сс б,

ШС

ШС

ШС

Б

ШС

х

С11

С11

А

Сс

В

Б

С12

С11

С11

В

Б

х

С12

С12 С12

Недостатком новой модели является достаточно громоздкая структура.

Вышеприведённые модели рельсовых линий могут быть использованы вместо старых моделей, которые не учитывают изменение сопротивления изоляции и продольную асимметрию для анализа и расчёта адаптивных рельсовых цепей.

Библиографический список References

1. Котляренко, Н. Ф. Путевая блокировка и авторегулировка [Текст]: учебник для вузов / Н. Ф. Котляренко, А. В. Шишляков, Ю. В. Соболев, И. З. Скрыпин, В. А. Шишляков. - М.: Транспорт, 1983. - 408 с.

2. Полевой, Ю. И. Совершенствование

устройств контроля состояния

железнодорожных путевых участков [Текст] / Ю. И. Полевой. - Самара: СамГАПС, 2005. - 134 с.

1. Kotlyarenko, N. F. Track blocking and autoregulation: textbook for higher schools / N. F. Kotlyarenko, A. V. Shishlyakov, Yu. V. Sobolev, I. Z. Skrypin, V. A. Shishlyakov. -Moscow: Transport, 1983. - 408 p.

2. Polevoy, Yu. I. Improving the devices of railway track section state control / Yu. I. Polevoy. - Samara: Samara State University of Means of Communication, 2005. - 134 p.

RAIL LINE MODELS FOR ADAPTIVE RECEIVER TRACK CIRCUITS

О 2010 F. R. Akhmadullin

Samara State University of Means of Communication

The paper deals with models of rail lines that can be used to analyse and calculate adaptive track circuits. Criteria of evaluating the state of adaptive track circuits are given. Adaptive track circuits with concentrated and distributed shunts are shown to substitute for typical rail lines with a concentrated shunt. The models described are used to analyse the methods of controlling adaptive track circuits.

Model, rail line, track circuit, adaptive track circuit, equivalent circuit, shunt.

Информация об авторах

Ахмадуллин Фанис Ринатович, преподаватель кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Самарского государственного университета путей сообщения, fanis83ar@mail.ru. Область научных интересов: исследование и разработка методов контроля железнодорожных путевых участков.

Akhmadullin Fanis Rinatovitch, teacher of the department “Automation, telemechanics and communication in railway transport”, Samara State University of Means of Communication, fanis83ar@mail.ru. Area of research: analysis and development of methods of railway track section control.