[10-2014] Моделирование генерации помех токами рельсовой тяговой сети
 

В.И. ШАМАНОВ, профессор МГУПС, д-р техн. наук

Ключевые слова: рельсовая тяговая сеть, асимметрия тягового тока в рельсовых линиях, помехи, АЛСН, рельсовые цепи

Помехи от тягового тока в рельсах являются основной причиной сбоев в работе рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации на электрифицированных участках железных дорог. В связи с увеличением веса и интенсивности движения поездов, появлением электровозов, оснащенных асинхронными тяговыми электродвигателями, растет величина тяговых токов и расширяется их частотный диапазон. В результате повышается и интенсивность помех.

Наиболее достоверным способом выявления причин сбоев является запись сигналов на приемных локомотивных катушках АЛСН и в рельсах в местах подключения к ним аппаратуры РЦ и последующий анализ этих значений. Однако интерпретация результатов таких измерений требует высокой квалификации исполнителей и затрудняется тем, что существует много других источников помех. За время измерений величина и гармонический состав тягового тока в рельсах существенно изменяются в зависимости от количества движущихся в зоне между тяговыми подстанциями электровозов, их серий и режимов работы. В итоге уменьшается достоверность полученных результатов.

Другим способом выявления причин сбоев является контроль и диагностика состояния элементов рельсовой тяговой сети (РТС), вызывающих рост интенсивности помех. Сейчас разработано много способов контроля и диагностики электрических параметров элементов РТС [1], но их реализация трудоемка. Поэтому требуется обоснование того, что именно из-за выхода каких-то из этих параметров за допустимые величины повышается интенсивность сбоев в работе РЦ или АЛСН. Для обработки и анализа полученных результатов также необходима высокая квалификация специалистов.

Исследование особенностей процессов растекания тяговых токов по РТС в зависимости от состояния параметров ее элементов позволит выявить причины сбоев и повысить достоверность результатов работ.

Для этого используют эквивалентную схему замещения РТС. Ее можно представить как последовательно-параллельное соединение электрически длинных линий с распределенными параметрами. При исследовании режимов работы РЦ широко используются теория четырехполюсников или шестиполюсников, а также метод направленных графов [2, 3, 4]. В этом случае рельсовая линия представляется как двухпроводная электрическая линия, сигнальные токи в которой одинаковы в проводах (рельсовых нитях) одного сечения на каком-либо расстоянии от их начала или конца.

При анализе протекания тяговых токов по рельсовой линии ее рельсовые нити рассматриваются как две однопроводные электрические линии рельсы-земля. Поэтому необходимо учитывать взаимную индуктивность рельсовых нитей, определяемую их внешней индуктивностью. Тяговые токи в рельсовых нитях в конкретной точке рельсовой линии различны, и именно разность (асимметрия) тяговых токов в этих точках является источником помех.

При одинаковых электрических параметрах элементов рельсовой линии величина асимметрии тягового тока зависит от длины РЦ. Во время движения поезда расстояние от головного электровоза до точки подключения к рельсам генератора кодовых сигналов АЛСН уменьшается, т.е. РЦ как бы укорачивается. Электрические параметры рельсовых нитей меняются по их длине, влияя на асимметрию тягового тока и соотношение «сигнал-помеха» при движении поезда. Для определения особенностей протекания тягового тока по конкретной рельсовой линии необходимо выявить закономерности изменения его асимметрии по всей ее длине в определенных условиях.

Тяговый ток, протекающий по оборудованной дроссель-трансформатором РЦ, а также под приемными катушками АЛСН головного электровоза, распределяется по рельсовым нитям рельсовой линии обратно пропорционально их входным сопротивлениям. Значения входных сопротивлений можно вычислять с помощью двухполюсников, имеющих лестничную (цепную) структуру [5]. Для этого рельсовую линию делят на ряд отрезков. В случае деления рельсовой нити на отрезки длиной порядка 300 м ошибки расчетов составляют не больше 5 % при частоте тока 50 Гц. С ростом частоты гармоники тягового тока длина таких отрезков должна уменьшаться.

В лестничной структуре рельсовую линию представляют в виде электрической схемы замещения с последовательным соединением Г-образных элементов. Физическую суть протекания тяговых токов по рельсовым нитям и, следовательно, большую точность расчетов обеспечивает использование в эквивалентной схеме замещения последовательно соединенных трехполюсников и двухполюсников.

В качестве расчетного элемента удобно применять отрезки рельсовых линий, которые оборудованы рельсовыми цепями, ограниченными дроссель-трансформаторами. Если на перегоне используются тональные рельсовые цепи без ДТ, то расчетным элементом является весь перегон.

На схеме замещения расчетного элемента (РТС) рельсовой цепи (рис. 1) справа подключен воздушный отсос (отсасывающая линия) тяговой подстанции. Началом такого элемента является место, где тяговый ток втекает в рельсовые нити. Сопротивление цепи протекания тягового тока по каждой рельсовой нити включает в себя сопротивления рельсов, токопроводящих стыков, дроссельных перемычек и секций основных обмоток дроссель-трансформаторов, подключенных к концам рельсовой линии. Тяговый ток на схеме замещения вырабатывается источником тока (ИТ).


При действии помех условия работы аппаратуры АЛСН и расположенных впереди РЦ наиболее сложны в тех случаях, когда большая часть собственного тока электровоза и токов других электровозов, движущихся в зоне между тяговыми подстанциями, утекает в рельсовую линию вперед по ходу поезда.

Отрезки рельсовых нитей в схеме замещения представлены в виде Т-образных трехполюсников. Между центром трехполюсника и его началом (слева на схеме) находится сопротивление Z', моделирующее сопротивление половины отрезка рельсовой нити, в которую втекает тяговый ток. Между центром трехполюсника и его концом (справа на схеме) расположено сопротивление Z", моделирующее сопротивление половины того конца отрезка рельсовой нити, из которого тяговый ток вытекает. При этом в общем случае Z' ≠ Z". С помощью сопротивлений Rp3 моделируются электрические сопротивления отрезков рельсовых нитей по отношению к земле.

В этих сопротивлениях первая цифра обозначает номер рельсовой нити, вторая - номер ее отрезка. Нумерация этих отрезков ведется от выходных концов рельсовых нитей. Рельсовая линия делится на п отрезков, количество которых зависит от ее длины и требуемой точности расчетов.

Сопротивление двухполюсников, подключенных к рельсовым нитям по их концам, состоит из сопротивлений соответствующих дроссельных перемычек и секций основных обмоток ДТ. Трехполюсники и двухполюсники на схеме выделены штриховыми линиями.

В схемах замещения отрезков рельсовых нитей трехполюсниками приняты следующие условные обозначения:


Удельное сопротивление рельсов зависит от их типа, величины и частоты тока, температуры окружающей среды. Появляющаяся асимметрия тягового тока создает асимметрию удельных сопротивлений взаимной индуктивности рельсовых нитей, т.е. сопротивление рельсов нелинейно. Величина сопротивлений рельсовых стыковых соединителей и дроссельных перемычек зависит от их конструкции, используемых материалов и изменяется во времени. Сопротивления переходов рельсы-земля также изменяются во времени и зависят от температуры окружающей среды. Из-за этого усложняется моделирование и требуется тщательный выбор исходных данных.

При свободной от подвижного состава РЦ, оборудованной ДТ, тяговые токи Ith1 и Ith2 в ее начале распределяются в секциях основных обмоток дроссель-трансформаторов обратно пропорционально полным входным сопротивлениям ZвхН1 И ZвхH2 рельсовых нитей. Тяговые токи, текущие под приемными локомотивными катушками АЛСН, распределяются обратно пропорционально входным сопротивлениям Zвх1n и Zвх2n n-х отрезков рельсовых нитей от их концов до первой колесной пары головного электровоза. Величина асимметрии тягового тока определяется соотношением интегральных величин продольного и поперечного сопротивлений рельсовых нитей по всей их длине для РЦ или по изменяющейся длине отрезков рельсовых нитей для АЛСН.

Причиной появления продольной асимметрии рельсовой линии может быть несимметричное увеличение в рельсовых нитях сопротивлений токопроводящих стыков и/или дроссельных перемычек. В схеме замещения продольная асимметрия регулируется подбором соответствующих величин сопротивлений в продольных плечах трехполюсников и/или величин сопротивлений Zдпн, Zдпк в двухполюсниках, подключенных на концах соответствующих рельсовых нитей.

Сопротивления рельсовых стыковых соединителей и отдельных участков рельсовых нитей по отношению к земле обычно неодинаковы по всей длине рельсовых нитей. При расчетах или компьютерном моделировании растекания тяговых токов в рельсовых нитях с неоднородными продольным и/или поперечным сопротивлениями для схемы замещения подбираются различные величины сопротивлений в трехполюсниках по длине рельсовых нитей.

Поперечная асимметрия сопротивления рельсовой линии возникает при несимметричности изменения сопротивлений рельсовых нитей по отношению к земле. В схеме замещения имитация требуемого значения поперечной асимметрии обеспечивается выбором величин поперечных сопротивлений в трехполюсниках.

Величина асимметрии тягового тока в определенной точке рельсовой линии равна Ia = KaIt, где Ka - коэффициент асимметрии тягового тока. Коэффициент находится по формуле Ka = |(It1 - It2) / (It1 + It2)|, It1 и It2 - тяговые токи в рельсах под катушками или в местах подключения аппаратуры РЦ к рельсам.

Численные значения коэффициента в одной и той же рельсовой цепи в одинаковых условиях различны в ее начале и конце, а также под катушками АЛСН.

Сумма тяговых токов в рельсах в начале РЦ, оборудованной ДТ, равна тяговому току в междроссельной перемычке It. Коэффициент асимметрии входных сопротивлений в начале этой рельсовой цепи

Kрц-ан = |(ZвхН1 - ZвхН2) / (ZвхН1 + ZвхН1)|

численно равен коэффициенту асимметрии тягового тока KA в этой точке рельсовой линии.

Под приемными катушками АЛСН тяговый ток в k-й точке рельсовой линии распределяется обратно пропорционально входным сопротивлениям отрезков рельсовых нитей от этой точки до их конца Zвх1k и Zвх2k. Величина этих сопротивлений изменяется по рельсовой линии длиной l. Коэффициент их асимметрии, равный КАЛС-AZ = |(Zвх1k - Zвх2k) / (Zвх1k + Zвх1k)|, также изменяется по всей длине РЦ. Коэффициент КАЛС-AZ равен коэффициенту асимметрии тягового тока КА под катушками АЛСН.

Коэффициенты асимметрии тягового тока в начале рельсовой цепи, оборудованной ДТ, различны для ее аппаратуры и для АЛСН при вступлении поезда на эту РЦ. Из-за шунтирования секций основных обмоток ДТ сопротивления рельсовых нитей уменьшаются на величину, равную сумме сопротивлений Zдт/4 + Zдпн. В результате асимметрия входных сопротивлений уменьшается на 1 % или более. Следовательно, сумма указанных сопротивлений, играющих роль балластных, оказывает определенный стабилизирующий эффект на сопротивления рельсовых нитей.

В нормальном режиме работы РЦ величина абсолютного значения асимметрии тягового тока критична только на тех концах, где подключается аппаратура. Чтобы определить величину асимметрии тягового тока на выходном конце, надо знать, как она изменяется по всей длине РЦ, а следовательно, как меняется тяговый ток в рельсовых нитях.

Для этого необходимо найти численные значения входных сопротивлений отрезков рельсовых нитей вдоль рельсовой линии от их выходного конца до рассматриваемой точки. Величина каждого из этих сопротивлений зависит от входных сопротивлений рельсовых линий, подключенных к средней точке, установленного на выходном конце рельсовой цепи дроссель-трансформатора, а также от входных сопротивлений трехполюсников, расположенных справа от расчетной точки (см. рис. 1). При использовании схемы замещения эти расчеты достаточно просты и алгоритмичны, что очень удобно для программирования и компьютерного моделирования.

Далее необходимо определить распределение тягового тока по всей длине рельсовых нитей, а затем разность этих токов в начале РЦ и на границах отрезков рельсовой линии. Эта разность является абсолютным значением асимметрии тягового тока под катушками АЛСН в соответствующей точке рельсовой линии.

В перегонных тональных РЦ без ДТ рассчитывается также распределение потенциалов в рельсах по отношению к удаленной земле по всей длине рельсовой линии. Знание этого необходимо для определения эффективности выравнивания асимметрии тягового тока с использованием дросселей или ДТ, так как величина тяговых токов, проходящих через них, зависит от разности этих потенциалов, а не от разности токов в рельсах в местах подключения устройств.

Такая методика позволяет проводить исследования для любых реальных условий работы РЦ и АЛСН. Далее приведены некоторые результаты использования разработанного способа моделирования для исследования процессов растекания тягового тока частотой 50 Гц по рельсовым нитям (рельсы типа Р65) при наличии только продольной асимметрии рельсовой линии. Диапазон изменения температуры окружающей среды от +20 до -30 °С. Диапазон изменения удельного сопротивления рельсов по отношению к земле от 0,5 до 18,0 Ом-км [1].

По всей длине рельсовой нити в заштрихованной области (рис. 2) изменяется относительное значение основной гармоники переменного тягового тока Ipk / Iph при увеличении удельного сопротивления перехода рельсы-земля от минимального до максимального значения. На рисунке приняты следующие обозначения: Ipk - тяговый ток в рельсовой нити на расстоянии l от ее начала, a Iph - тяговый ток, втекающий в рельсовую нить.


При максимальном значении сопротивления перехода рельсы-земля утечка тягового тока частотой 50 Гц из рельсов в землю в рельсовой нити длиной 1 км составляла 9 %. При минимальном значении этого сопротивления утечка увеличивалась до 67 %. В перегонной РЦ длиной 2,1 км до конца рельсовой нити доходило только 10 % втекающего в нее тягового тока.

Изменение выраженного в процентах коэффициента асимметрии входных сопротивлений рельсовых нитей КРЦ-Al, по всей длине рельсовой линии при отсутствии на РЦ подвижного состава, т.е. при ее работе в нормальном режиме, показано на рис. 3.

При максимальном значении сопротивления перехода рельсы-земля этот коэффициент находился в пределах 6,5 - 7,5 %, увеличиваясь по ходу течения тягового тока. Рост коэффициента асимметрии в таких условиях практически не ухудшает устойчивость работы аппаратуры РЦ, установленной на выходном ее конце, так как величина тягового тока там меньше, чем на входном конце.

При снижении удельного электрического сопротивления перехода рельсы-земля до минимальной величины коэффициент асимметрии входного сопротивления рельсовой линии в начале РЦ уменьшался до 4,3 %. Однако по всей длине рельсовой линии этот коэффициент рос быстрее и на выходном конце он составлял 14,0 %. Но это тоже не приводит к ухудшению условий работы аппаратуры РЦ на выходном ее конце, где тяговый ток в рельсах существенно уменьшается (см. рис. 2).

Следовательно, условия работы аппаратуры РЦ при помехах, создаваемых тяговыми токами рельсовых сетей, более сложны в случае отрицательных температур окружающей среды. Это является одной из причин повышения интенсивности сбоев в работе РЦ в зимнее время.

Для аппаратуры АЛСН условия работы наиболее сложны на входном конце РЦ, так как уровень полезного сигнала здесь минимален. Исследования показали, что в этих условиях с ростом удельного электрического сопротивления перехода рельсы-земля от минимальной до максимальной величины коэффициент асимметрии входных сопротивлений рельсовых нитей КАЛС-AZ увеличивался от 5,1 до 7,3 %, т.е. в 1,43 раза (рис. 4). Следовательно, при тяговом токе 300 А в рельсовой линии его асимметрия в этом случае растет с 15,3 до 21,9 А. Но при такой длине перегонной кодовой рельсовой цепи частотой 25 Гц сигнальное напряжение на входном для поезда ее конце увеличивается в 1,49 раз при максимальном сопротивлении изоляции [6], следовательно, происходит компенсация отрицательного действия помех от тягового тока в рельсах.


Если сопротивления дроссельных перемычек на выходном конце одинаковы, т.е. ZДПК1 = ZДПК2, то коэффициент асимметрии входных сопротивлений рельсовых нитей KАЛС-AZ и асимметрия тягового тока под приемными катушками АЛСН равны нулю.

Сравнение данных многочисленных измерений тяговых токов частотой 50 Гц и их асимметрии в рельсовых линиях, проведенных в условиях эксплуатации [1], с результатами моделирования показало, что они сходны.

Таким образом, разработанный метод математического моделирования позволяет исследовать характер распределения любых гармоник тягового тока по рельсовым линиям рельсовой тяговой сети, а также находить уровни помех от тяговых токов в аппаратуре РЦ и АЛСН. Используя описанный метод, можно на автоматизированных рабочих местах анализировать состояние элементов тяговой рельсовой сети и определять уровни помех в РЦ и АЛСН, а также выяснять причины повышенной интенсивности сбоев на конкретных участках железных дорог. Такая аналитическая работа повысит достоверность получаемых результатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шаманов В.И. Электромагнитная совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. - 300 с.

2. БрылеевА. М., Кравцов Ю.А., ШишляковА. А. Теория, устройство и работа рельсовых цепей. - М.: Транспорт, 1978, 344 с.

3. Лисенков В.М., ВаньшинА.Е. Анализ рельсовых цепей методом направленных графов // Электротехника. 2011, № 8, с. 29-32.

4. Бестемьянов П.Ф., Кравцов Ю.А., Чегуров А.Б., Щербина Е.Г. Методика оценки работоспособности рельсовых цепей тональной частоты при воздействии тока электро-подвижного состава с асинхронным тяговым двигателем // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2012, № 1.

5. Шаманов В.И., Трофимов Ю.А. Компьютерное моделирование динамики переменного тягового тока в рельсах под катушками АЛСН // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. - Иркутск: 2008, № 1 (17), с. 55-60.

6. Аркатов В.С., Аркатов Ю.В., Казеев С.В., Ободовский Ю.В. Рельсовые цепи магистральных железных дорог. Справочник. - М.: «ООО Миссия-М», 2006, 496 с.

Тема перенесена
 

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

Перенес: Admin