Admin

Помехи от тяговых токов в фазочувствительных рельсовых цепях

В.И. ШАМАНОВ,
доктор техн. наук, заведующим кафедрой ИрГУПС

Г.С. БЕРЕЗОВСКИЙ, главный технический инспектор труда Дорпрофсожа Восточно-Сибирской дороги Ю. А. ТРОФИМОВ, старший преподаватель ИрГУПС

Фазочувствительные реле ДСШ, используемые в качестве путевых приемников в рельсовых цепях, лучше защищены от ложного срабатывания в случае попадания в обмотку путевого элемента сигнального тока других рельсовых цепей или токов посторонних источников. Однако опыт эксплуатации показал неустойчивую работу этих реле при повышенной асимметрии переменных обратных тяговых токов, которая возникает в зонах подключения к обратной тяговой сети отсасывающих линий тяговых подстанций и при движении тяжеловесных поездов, особенно на горных участках.

Для выяснения причин сбоев и отказов фазочувствительных рельсовых цепей был проведен комплекс испытаний, измерений и экспериментальных исследований в лабораторных и эксплуатационных условиях.


В фазочувствительных рельсовых цепях при электротяге переменного тока используются элементы с нелинейными характеристиками: дроссель-трансформаторы ДТ-1 -150 и ДТ-1-300, защитные блок-фильтры ЗБ-ДСШ, путевые изолирующие трансформаторы ПРТ-А. В связи с тем что расчеты влияния величины асимметрии переменного тягового тока на элементы рельсовой цепи приблизительны, были проведены исследования на специальном лабораторном стенде. Он разработан на базе схемы рельсовой цепи в соответствии с нормалью "Станционные фазочувствительные рельсовые цепи переменного тока 25 Гц с реле ДСШ-16 участков электротяги переменного тока" РЦ 25-ДСШ16-ЭТ50-С-93.

Блок-схема этого стенда приведена на рис. 1. В ней приняты следующие условные обозначения: А1 и А2 - аппаратура соответственно питающего и релейного концов рельсовой цепи; ПЧ - преобразователь частоты ПЧ-50/25-150; ДТН и ДТК -дроссель-трансформаторы соответственно начала и конца рельсовой цепи; GA - источник тока частотой 50 Гц; ZF - защитный блок-фильтр типа ЗБ-ДСШ; П - путевое реле ДСШ-16.

Принято считать, что верхний допускаемый предел величины асимметрии переменного тягового тока в рельсовых линиях 15 А или 4 % тягового тока в рельсовой линии 300 А. Специально разработанный источник тока GA имитировал на стенде тяговый ток lT в диапазоне от 0 до 300 А. В качестве рельсовых нитей с сопротивлениями ZH1 и ZH2 использовали отрезки стального троса сечением 6 мм2 с удельным сопротивлением 2,5 Ом/м. Благодаря этому ток асимметрии lA в секциях основных обмоток дроссель-трансформаторов достигал 60 А при коэффициенте асимметрии 18 %.

Испытания проводили с использованием дроссель-трансформаторов ДТ-1 -150 и ДТ-1 -300. Напряжение измеряли цифровыми приборами фирмы АРРА, а величина и форма тока в путевой обмотке реле ДСШ-16 фиксировались цифровым записывающим осциллографом.

Основные результаты проведенных испытаний представлены в виде графиков, показывающих зависимость основных параметров рельсовой цепи от величины асимметрии тягового тока в секциях основных обмоток дроссель-трансформаторов.

Для защиты путевого элемента реле ДСШ-16 используется блок-фильтр ЗБ-ДСШ, состоящий из последовательного LC-контура. Он настраивается на резонанс напряжений на частоте 50 Гц и подключается параллельно путевой обмотке реле ДСШ. В результате ток помехи промышленной частоты шунтируется этим фильтром.

В процессе испытаний при росте асимметрии тягового тока в секциях основной обмотки дроссель-трансформатора ДТ-1-150 ток частотой 50 Гц, проходящий через защитный блок-фильтр, возрастал практически линейно. Сопротивление блок-фильтра при росте асимметрии тягового тока до 4-5 А практически не менялось и составляло 20 Ом при полном активном сопротивлении катушек дросселей в фильтре 14,36 Ом ±10 % (при температуре окружающей среды 20±5°С). Зависимость сопротивления фильтра от величины асимметрии тягового тока в секциях основной обмотки дроссель-трансформатора ДТК становилась линейной, когда ток асимметрии превышал 12-13 А (рис. 2). Полное активное сопротивление путевого элемента реле ДСШ-16 току частотой 50 Гц составляет 720 Ом ±10 %. Следовательно, при асимметрии тягового тока 4-5 А через путевой элемент реле проходит меньше 3 % величины тока помехи промышленной частоты.


При изменении тока, проходящего через фильтр, меняется индуктивность его дросселей, являющихся нелинейными элементами. Если фильтр настроен в резонанс не очень точно, с ростом тока асимметрии сопротивление фильтра сначала уменьшается, а после превышения током какого-то предела начинает расти. От изменения индуктивности сначала фильтр более точно настраивается в резонанс, а уж потом начинается процесс расстройки. Если фильтр ЗБ-ДСШ настроен в резонанс примерно в середине диапазона изменения рассматриваемого тока помехи частотой 50 Гц, то уровень помех на путевой обмотке ДСШ снижается в верхней части диапазона изменения асимметрии тягового тока.

Одновременный рост сопротивления фильтра и тока через него приводит к тому, что напряжение помехи на нем растет нелинейно. Величиной этого напряжения (рис. 3) определяется уровень тока помехи в путевой обмотке реле ДСШ-16, который при асимметрии тягового тока 40 А составлял 20 мА. Следовательно, если бы на местный элемент реле ДСШ-16 подавалось напряжение тоже частотой 50 Гц, этого тока помехи было бы вполне достаточно для уверенного срабатывания реле.

При проведении экспериментов значения прямого входного сопротивления аппаратуры релейного конца рельсовой цепи ZBX к и обратного входного сопротивления аппаратуры питающего конца ZBX н для тока помехи частотой 50 Гц составляли 1,75-1,85 Ом. Эти значения сопротивлений уменьшались, когда ток асимметрии в секциях основных обмоток дроссель-трансформаторов превышал 30 А. При асимметрии тягового тока 36 А они составили 1,3 Ом, а при 41,4 А -1,15 Ом Следовательно, при большой асимметрии тягового тока в секциях основных обмоток дроссель-трансформатора изменяется степень согласования по сопротивлению аппаратуры рельсовой цепи с рельсовой линией.


В схеме фазочувствительной рельсовой цепи аппаратура питающего и релейного концов защищена от токовых перегрузок со стороны рельсовой линии автоматическими низковольтными выключателями многократного действия АВМ-2 с током 5 А. Защищаемая электрическая цепь отключается при нагреве размыканием контакта биметаллической пластины.

Выключатель АВМ-2 не должен размыкать защищаемую цепь при токе нагрузки 7 А, если температура окружающей среды +50°С. При снижении температуры увеличивается ток его срабатывания. Время срабатывания выключателя 2 мин при температуре +25°С и нагрузке, равной двукратному номинальному значению тока.

Экспериментальные исследования при наличии асимметрии тягового тока в дополнительных обмотках дроссель-трансформаторов показали, что ток помехи на питающем конце рельсовой цепи в среднем на 10-12 % выше, чем на релейном. Ток помехи на питающем конце достигает двукратного номинального значения тока срабатывания выключателя АВМ-2 при асимметрии тягового тока 50 А. Аппаратура питающего или релейного концов отключается от рельсовой линии при срабатывании приборов защиты. Это является одной из причин появления ложной занятости изолированных секций на станциях в зонах подключения к обратной тяговой рельсовой сети отсасывающих линий тяговых подстанций.

Помеха от тягового тока попадает и во вторичную обмотку преобразователей частоты ПЧ-50/25 150. Величина тока помехи может превышать номинальное значение тока этой обмотки на 10 %. Токи помехи вызывают дополнительный нагрев вторичной обмотки и увеличивают потери мощности в преобразователях частоты.

Нелинейность характеристик дроссель-трансформаторов ДТ-1-150 и ДТ-1-300 вызывает искажения формы как сигнальных токов рельсовой цепи, так и помех от обратного тягового тока. Эти искажения становятся существенными уже при асимметрии тягового тока, равной 5 А. Одна из осциллограмм токов помех в путевой обмотке реле ДСШ-16, записанная на лабораторном стенде с использованием дроссель-трансформаторов ДТ-1 -150 при асимметрии тягового тока 60 А, показана на рис, 4,

Результаты гармонического анализа токов помехи представлены в таблице. Значения нечетных гармоник в токе помех, генерируемых дроссель-трансформатором ДТ-1-150, растут с увеличением асимметрии тягового тока и могут достигать 18-23 % величины помехи первой гармоники с частотой 50 Гц.

Дроссель-трансформаторы ДТ-1 -300 имеют более массивный сердечник, поэтому нелинейность их характеристик меньше сказывается на работе рельсовых цепей.


Момент, вращающий сектор реле ДСШ, образуется в результате действия двух сил на сектор. Одна сила - это взаимодействие вихревого тока, создаваемого местным элементом, с магнитным потоком путевого элемента. Вторая - взаимодействие вихревого тока, создаваемого путевым элементом, с магнитным потоком местного элемента. Максимальное значение разности этих сил, создающей вращающий момент, получается при угле сдвига фаз между магнитными потоками или, другими словами, при угле сдвига фаз между токами одной частоты, в обмотках путевого и местного элементов, равном 90°.

Токи помех, попадающие в путевой элемент реле, наводят в секторе свои вихревые токи со случайно изменяющимися разностями фаз по отношению к магнитному потоку местного элемента. Создаваемые за счет взаимодействия этого магнитного потока с вихревыми токами от помех тангенциальные силы накладываются на результирующую силу от действия сигнального тока частотой 25 Гц. В результате сектор начинает вибрировать, издавая дребезжащий звук. По силе и основным частотам этого звука можно судить о величинах и частотах токов помех в путевом элементе реле Эта вибрация увеличивает износ элементов подвески сектора и контактов реле. Появление токов других частот кроме тока сигнальной частоты 25 Гц в обмотке путевого элемента реле ДСШ-16 уменьшает его вращающий момент.

Теоретический анализ влияния гармонических составляющих токов помех на вращающий момент сектора реле затруднен из за сложности происходящих электромагнитных процессов. Для количественной оценки отрицательного действия этих токов лабораторный стенд (см. рис. 1) был дополнен устройством, позволяющим измерять вращающий момент. При экспериментах на стенде рост асимметрии тягового тока до 15 А приводил к уменьшению вращающего момента на 15 %.

На рис. 5 показана осциллограмма напряжения на путевом элементе реле ДСШ-16 в фазочувствительной рельсовой цепи на станции Кижа Восточно-Сибирской дороги, оборудованной дроссель-трансформаторами ДТ-1-300, при движении тяжеловесных поездов по горному участку. При измерениях по рельсовым нитям протекал обратный переменный тяговый ток величиной 304 А с асимметрией 20 А. Результаты анализа гармонических составляющих тока через обмотку путевого элемента реле ДСШ-16 этой рельсовой цепи представлены в виде диаграммы в диапазоне от нуля до 550 Гц (рис. 6).


Как видно из диаграммы, через путевую обмотку реле протекали токи четных и нечетных гармоник тяговых токов частотой 50 и 25 Гц. Действующие значения токов нечетных гармоник частотой 25 Гц в анализируемом диапазоне были сравнимы с нечетными гармониками тягового тока. Не совсем ясно, что является источником таких достаточно мощных гармоник частоты 25 Гц и требует дополнительных исследований. Эти нечетные гармоники тока преобладали и на частотах находящихся за верхним пределом диапазона диаграммы. Например, на частоте 1050 Гц ток через путевую обмотку в разных измерениях варьировался в пределах 1-5 мА.

Наличие помехи постоянного тока можно объяснить селективным выпрямлением, характерным для элементов с нелинейной, симметричной относительно начала ординат характеристикой. При подмагничивании сердечников трансформаторов постоянным током появляются четные гармоники тягового и сигнального токов.

С увеличением асимметрии тягового тока до верхней нормативной величины 15 А сопротивление защитного блок-фильтра ЗБ-ДСШ при проведении экспериментов возрастало на 5 Ом, а ток помехи промышленной частоты в обмотке путевого элемента реле ДСШ-16 - до 4 мА. Следовательно, эти помехи были относительно невелики. Однако все высшие гармоники проходят беспрепятственно в обмотку путевого элемента.

Уровень каждой из этих гармоник вплоть до частоты 350 Гц может достигать в реальных условиях 10-17 мА. По закону электромагнитной индукции величина ЭДС, наводимой в секторе реле ДСШ, пропорциональна частоте тока в обмотке ее путевого элемента. Следовательно, чем выше частота гармоники, тем больше величина мешающего вихревого тока, создаваемого током этой помехи, проходящей через обмотку путевого элемента.

Как показали измерения в эксплуатационных условиях, асимметрия тягового тока в секциях основной обмотки дроссель-трансформаторов изменяется в соответствии с поездной ситуацией и может заметно превышать указанный допускаемый верхний предел в течение длительного промежутка времени. Объясняется это перераспределением обратного тягового тока в рельсовых нитях вследствие неоднородности по длине величин продольного и поперечного сопротивлений. Быстрые изменения величины обратного тягового тока в рельсовой сети и его асимметрии затрудняют выявлять истинную причину сбоев и отказов фазочувствительных рельсовых цепей.

Таким образом, благодаря проведенным исследованиям, анализу результатов измерений в эксплуатационных условиях и испытаниям в лабораторных условиях выявлены основные причины недостаточной устойчивости работы фазочувствительных рельсовых цепей с реле ДСШ-16 на участках железных дорог, электрифицированных на переменном токе. Повысить устойчивость их работы можно совершенствованием устройств защиты путевого реле от помех частотой 50 Гц и более высоких частот. На участках с повышенными обратными тяговыми переменными токами предлагаем вместо фазочувствительных применять рельсовые цепи другого типа, меньше реагирующие на помехи от тягового тока. Следует также, по нашему мнению, рассмотреть вопрос об ограничении применения фазочувствительных рельсовых цепей при проектировании систем электрической централизации на электрифицированных железнодорожных линиях.

Dasha

из какого журнала статья?????

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin