Рельсовая цепь — это электрическое устройство, используемое для доказательства отсутствия поезда на рельсах сигнализаторам и управления соответствующими сигналами. Альтернативой рельсовым цепям являются счетчики осей .
Основной принцип рельсовой цепи заключается в соединении двух рельсов колесами и осями локомотивов и подвижного состава для замыкания электрической цепи. Эта цепь контролируется электрооборудованием для обнаружения отсутствия поездов. Поскольку это устройство безопасности, отказоустойчивая работа имеет решающее значение. Поэтому цепь разработана для индикации присутствия поезда при возникновении сбоев. С другой стороны, ложные показания занятости нарушают работу железной дороги и должны быть сведены к минимуму.
Рельсовые цепи позволяют железнодорожным сигнальным системам работать полуавтоматически, отображая сигналы для поездов, чтобы замедлить или остановить движение при наличии занятого пути впереди них. Они помогают предотвратить аварии диспетчеров и операторов , как информируя их о занятости пути, так и предотвращая отображение сигналов небезопасных указаний.
Рельсовая цепь обычно имеет питание, подаваемое на каждый рельс, и катушку реле , соединенную между ними. Когда поезда нет, реле активируется током, текущим от источника питания по рельсам. Когда поезд присутствует, его оси замыкают ( шунтируют ) рельсы вместе. Ток в катушке реле пути падает, и оно обесточивается. Таким образом, цепи через контакты реле сообщают, занят ли путь или нет.
Каждая цепь определяет определенный участок пути, например блок . Эти участки разделены изолированными стыками , обычно в обоих рельсах. Чтобы предотвратить ложное питание одного контура другим в случае пробоя изоляции, электрическая полярность обычно меняется с одного участка на соседний. Цепи питаются низким напряжением (от 1,5 до 12 В постоянного тока). Реле и источник питания прикреплены к противоположным концам участка, чтобы предотвратить электрическую изоляцию части пути от цепи сломанными рельсами. Последовательный резистор ограничивает ток при коротком замыкании рельсовой цепи.
В некоторых схемах электрификации железных дорог один или оба ходовых рельса используются для передачи обратного тягового тока. Это исключает использование базовой рельсовой цепи постоянного тока, поскольку существенные тяговые токи подавляют очень малые токи рельсовой цепи.
Если на подвижном составе или на путях, расположенных в непосредственной близости, используется тяга постоянного тока, то рельсовые цепи постоянного тока использовать нельзя; аналогично, если используется электрификация переменным током частотой 50 Гц, то рельсовые цепи переменного тока частотой 50 Гц использовать нельзя.
Чтобы обеспечить это, рельсовые цепи переменного тока используют сигналы переменного тока (AC) вместо постоянного тока (DC), но, как правило, частота переменного тока находится в диапазоне звуковых частот , от 91 Гц до 10 кГц. Реле настроены на обнаружение выбранной частоты и игнорирование сигналов тяговой частоты постоянного и переменного тока. Опять же, принципы отказоустойчивости диктуют, что реле интерпретирует наличие сигнала как незанятый путь, тогда как отсутствие сигнала указывает на присутствие поезда. Сигнал переменного тока может быть закодирован, и локомотивы могут быть оснащены индуктивными датчиками для создания системы сигнализации кабины .
Существует два распространенных подхода к обеспечению непрерывного пути для тягового тока, который охватывает несколько блоков рельсовой цепи. Самый простой метод устанавливает изолированные стыки рельсовой цепи только на одном из двух рельсов, при этом второй является путем для обратного тока и заземлением для рельса рельсовой цепи. Недостатком этого метода является возможность обнаружения разрывов только в одном рельсе, поэтому более популярная двухрельсовая система использует импедансные связи, чтобы позволить тяговому току проходить между изолированными блоками рельсовой цепи, блокируя ток на частотах рельсовой цепи.
Цепи переменного тока иногда используются в областях, где условия приводят к появлению блуждающих токов, которые мешают работе рельсовых цепей постоянного тока.
Современные рельсы часто свариваются непрерывно , а стыки свариваются во время установки. Это дает много преимуществ, за исключением системы сигнализации, которая больше не имеет естественных разрывов в рельсе для формирования блок-секций. Единственный метод формирования дискретных блоков в этом сценарии — использовать разные звуковые частоты (ЗЧ) в каждой блок-секции. Чтобы предотвратить прохождение звукового сигнала из одной секции в соседнюю секцию, пары настроенных цепей подключаются через рельсы на границе секции. Настроенная цепь часто включает в себя цепь, чтобы либо применить переданный сигнал к пути, либо восстановить принятый сигнал с другого конца секции.
Рассмотрим железную дорогу с двумя блок-участками, как на схеме. Участок 1 имеет частоту A, вводимую на левом конце и принимаемую на правом конце. Участок 2 продолжается с правого конца участка 1, где частота B вводится и затем принимается на правом конце участка 2.
Часто существует зазор между тем, где принимается частота A, и тем, где вводится частота B. Это называется «настроенной зоной» и представляет собой участок пути, где амплитуда частоты A уменьшается в направлении секции 2, а амплитуда частоты B уменьшается в направлении секции 1. Настроенная зона может иметь длину порядка 20 м.
Преимущества бесстыковых рельсовых цепей:
Недостатки бесстыковых рельсовых цепей:
CSEE (теперь Ansaldo STS ) UM71 — это еще один тип бесстыковой рельсовой цепи. Она использует 1700 Гц и 2300 Гц на одном пути и 2000 Гц и 2600 Гц на другом. [1] Чтобы уменьшить вероятность возникновения блуждающих токов, вызывающих отказ на неправильной стороне, частота модуляции рассчитывается путем деления базовой частоты на 128. Различные скорости модуляции могут быть обнаружены оборудованием на поездах и использованы для автоматического управления поездом , при условии, что передающий конец (Tx) находится в передней части поезда.
Бесстыковые рельсовые цепи EBItrack (ранее TI21 ) и Westinghouse FS2500 аналогичны UM71.
Бесстыковую рельсовую цепь, такую как CSEE, можно разделить с помощью блока сбора данных (DPU), что дешевле, чем разделение ее на две рельсовые цепи. DPU позволяет избежать необходимости изменять частоту целой серии рельсовых цепей в каскаде. DPU состоит из настроенной катушки, которая определяет наличие или отсутствие тока в соседнем рельсе и соответственно включает или выключает реле. Одно из применений DPU — это схем синхронизации. Каждая частота рельсовой цепи имеет свой собственный DPU, настроенный на эту частоту. DPU могут быть расположены практически в любом месте; они преодолевают ограничение, заключающееся в том, что бесстыковые пути имеют минимальную длину.
В неэлектрифицированных районах могут использоваться кодированные рельсовые цепи постоянного тока. Они модулируют ток, идущий от конца источника питания к концу реле, и управляют сигналами и сигналами кабины без необходимости в линейных проводах. Модулированные токи могут быть обнаружены оборудованием, подключенным к пути, для предоставления информации о сигнализации и индикации для активации надлежащей сигнализации кабины, если она доступна. [2] Они могут быть наложены системами прогнозирования для управления железнодорожными переездами. [3]
Марки кодированных рельсовых цепей включают в себя:
Если длина секции превышает практическую длину рельсовой цепи, можно предусмотреть разрезные пути. При разрезном пути реле последнего пути отключает питание источника питания предпоследней рельсовой цепи и т. д. Разрезные пути подходят только для однонаправленных путей.
Рельсовые цепи с загрязненным балластом будут короче, чем цепи с хорошим балластом, поэтому потребуется большее количество разрезанных путей.
Одна из распространенных марок высоковольтных импульсных цепей (HVIT) производится компанией Jeumont-Schneider . Высокое напряжение проникает сквозь ржавчину и другие проблемы.
HVIT попеременно передает два импульса, узкий положительный около 100 В постоянного тока и отрицательный более широкий около 30 В постоянного тока. Энергия двух импульсов одинакова. На приемном конце RC-цепь интегрирует два импульса, которые должны иметь правильные пропорции для срабатывания реле. RC-цепи проверяют, что положительные и отрицательные импульсы находятся в правильной фазе. Два импульса работают с частотой около 1 Гц.
Схема будет работать на электрифицированных линиях переменного и постоянного тока с дополнительным оборудованием.
В неэлектрифицированных районах изолированные стыковые соединения устанавливаются парами, по одному на каждом рельсе.
В электрифицированных районах необходим обходной путь, позволяющий тяговому току порядка тысяч ампер вернуться на подстанцию. Этого можно достичь, не имея изолированных блочных стыков в одном из рельсов, называемом обратным рельсом.
Если оба рельса должны переносить сильный тяговый обратный ток, то в обоих рельсах предусмотрены изолированные блок-стыки, а также импедансные связи для переноса тягового тока вокруг изолированных стыков. Импедансные связи по сути являются катушками с центральным отводом, которые обеспечивают низкий импеданс тяговому току, например, на частоте 50 Гц, и высокий импеданс сигнальному току, например, на частоте 1,7 кГц.
Железнодорожные колеса изготовлены из стали и обеспечивают хорошее короткое замыкание от рельса к рельсу ( шунтирующее сопротивление ).
Более длинные поезда с большим количеством колес имеют лучшую проводимость. Короткие поезда, легкие рельсовые моторы или одиночные двигатели могут быть проблемой. В Новой Зеландии были проблемы с легкими рельсовыми моторами класса Rm , которые не всегда обнаруживались; см. Железнодорожная сигнализация в Новой Зеландии . Поезда с одним рельсовым мотором Budd , которые также легкие и с дисковыми тормозами, имели некоторые проблемы при остановке и должны были сделать двойную остановку, чтобы обеспечить хороший контакт с рельсами. [ необходима цитата ]
Чугунные тормозные колодки, как правило, очищают колеса от непроводящего мусора (такого как листья и тяговые составы на основе песка), в то время как дисковые тормоза этого не делают. В результате некоторые транспортные средства с дисковыми тормозами имеют «скрубберные колодки», очищающие колеса для обеспечения надлежащей работы рельсовой цепи. [ необходима цитата ]
Реле рельсовых цепей , называемые специалистами по обслуживанию сигналов «жизненно важными реле», специально разработаны для снижения вероятности неисправностей . Например, они могут иметь углеродно-серебряные контакты, чтобы снизить вероятность замыкания неисправных контактов после скачков напряжения и ударов молнии.
Схема спроектирована таким образом, что подавляющее большинство отказов вызовет индикацию "дорожка занята" (известную как отказ правой стороны). Например:
С другой стороны, возможны режимы отказа, которые не позволяют схеме обнаруживать поезда (известные как отказ неправильной стороны). Примеры включают:
Режимы отказа, которые приводят к неправильному сигналу «путь свободен» (обычно известному в США как «ложный отбой»), могут позволить поезду войти в занятый блок, создавая риск столкновения. Колесная шкала и короткие поезда также могут быть проблемой. Они также могут привести к тому, что системы оповещения на переезде не сработают. Вот почему в практике Великобритании в схеме переезда также используется педаль .
Для реагирования на такие типы сбоев используются различные средства. Например, реле спроектированы с очень высоким уровнем надежности. В районах с электрическими проблемами могут использоваться различные типы рельсовых цепей, которые менее восприимчивы к помехам. Скорость может быть ограничена, когда и где опавшие листья являются проблемой. Движение может быть ограничено, чтобы пропустить оборудование, которое не обеспечивает надежного шунтирования рельсов.
Саботаж возможен. В 1995 году при сходе поезда с рельсов в Пало-Верде диверсанты электрически соединили секции рельсов, которые они сместили, чтобы скрыть сделанные ими разрывы в пути. Поэтому рельсовая цепь не обнаружила разрывы, и машинисту не был дан сигнал «Стоп». Другая форма саботажа, не направленная на то, чтобы вызвать крушение поезда, а просто заставить поезда остановиться и замедлить движение без необходимости в попытке подорвать экономику или привести к потенциальным травмам, заключается в том, чтобы привязать провод между двумя рельсами, вызывая ложный сигнал о препятствии. [5] [6]
Рельсовая цепь опирается на адекватный электрический контакт между рельсом и колесом; загрязнение может изолировать одно от другого. Распространенной проблемой являются опавшие листья, хотя были случаи, когда раздавленные насекомые также вызывали сбои в обнаружении. [7]
Более устойчивой проблемой является ржавчина. Обычно головка рельса очищается от ржавчины регулярным прохождением колес поездов. Линии, которые не используются регулярно, могут стать настолько ржавыми, что не позволят обнаружить транспортные средства. Редко используемые стрелки и переезды, а также концы линий конечных платформ также подвержены ржавчине. Меры по преодолению этого включают:
Изолированные блок-стыки могут быть перекрыты колесной шкалой в некоторых обстоятельствах, что приводит к отказу одной или двух рельсовых цепей. Эту проблему можно уменьшить, если установить пару блок-стыков последовательно на расстоянии около 4 м друг от друга. Короткий 4-метровый участок сам по себе не будет рельсовым контуром. [8]
Электровозы должны избегать создания шума на частотах, которые используют рельсовые цепи. У SNCB Class 13 были такие проблемы.
Короткий, легкий и быстрый поезд, проходящий через изолированный блок-стык, может исчезнуть из отправляющейся рельсовой цепи до того, как появится в прибывающей рельсовой цепи, что позволяет подавать ложные сигналы отбоя. Эту проблему можно преодолеть, введя временную задержку, скажем, 1–2 секунды в отправляющуюся рельсовую цепь. Электронные рельсовые цепи, такие как CSEE, могут легко включать такую временную задержку.
Иногда удобно подключать детекторы набора стрелок через рельсовую цепь над этими стрелками. Это можно сделать одним из двух способов:
Простейшим элементом оборудования безопасности, которое установлено на всех тяжелых железнодорожных поездах в Великобритании, является зажим для управления рельсовой цепью (TCOC) . [9] Это отрезок провода, соединяющий два металлических пружинных зажима, которые крепятся к рельсу. В случае аварии или препятствия зажим, прикрепленный к обоим рельсам, укажет, что эта линия занята, ставя сигнал для этого участка в положение «опасно».
Процедура аварийной защиты [9] в Великобритании требует размещения TCOC на всех затронутых рабочих линиях, если невозможно немедленно связаться с сигнальщиком после аварии, когда заблокированы смежные линии.
Системы TCOC неэффективны, если обнаружение поездов не осуществляется с помощью рельсовых цепей, таких как счетчики осей или педали .
Первое использование рельсовой цепи было осуществлено Уильямом Робертом Сайксом на коротком участке пути Лондонской Чатем-энд-Дуврской железной дороги в Брикстоне в 1864 году. [10] Отказоустойчивая рельсовая цепь была изобретена в 1872 году Уильямом Робинсоном , американским инженером-электриком и механиком. Его введение надежного метода обнаружения занятости блока стало ключом к разработке автоматических сигнальных систем, которые сейчас используются почти повсеместно. [11] : 3ff
Первые железнодорожные сигналы управлялись вручную сигнальщиками или станционными агентами. Когда менять вид сигнала, часто оставлялось на усмотрение оператора. Человеческая ошибка или невнимательность иногда приводили к неправильной сигнализации и столкновениям поездов.
Появление телеграфа в середине девятнадцатого века показало, что информацию можно передавать на значительные расстояния с помощью электричества, что подстегнуло 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 железнодорожную сигнальную систему в виде модели в 1870 году. Полноразмерная версия была впоследствии установлена на железной дороге Филадельфия и Эри в Ладлоу, Пенсильвания (он же Кинзуа, Пенсильвания), где она оказалась практичной. Его конструкция состояла из электрически управляемых дисков, расположенных наверху небольших сигнальных будок на пути, и была основана на открытой рельсовой цепи. Когда поезда не было в пределах блока, питание на сигнал не подавалось, что указывало на свободный путь. [11] : 4
Неотъемлемой слабостью этой конструкции было то, что она могла выйти из строя в небезопасном состоянии. Например, оборванный провод в рельсовой цепи ложно указывал бы на то, что на блоке нет поезда, даже если он там был. Осознав это, Робинсон разработал замкнутую рельсовую цепь, описанную выше, и в 1872 году установил ее вместо предыдущей цепи. Результатом стала полностью автоматическая, отказоустойчивая система сигнализации, которая стала прототипом для последующих разработок. [11] : 6–9
Хотя Великобритания была пионером в использовании сигналов для управления поездами, она не спешила внедрять конструкцию Робинсона. В то время многие вагоны на железных дорогах Великобритании имели деревянные оси и/или колеса с деревянными ступицами, что делало их несовместимыми с рельсовыми цепями.
Установка рельсовых цепей позволила бы предотвратить многочисленные аварии, в том числе:
Железнодорожная катастрофа Нортона Фицуоррена (1890) Крушение железной дороги на станции Хоус-Джанкшен (1910) Железнодорожная катастрофа в Куинтинсхилле (1915).svg/1280px-Flag_of_Australia_(converted).svg.png){kind=small}
Столкновение при пересечении петли (1963).svg/1280px-Flag_of_Canada_(Pantone).svg.png){kind=small}
Катастрофа на железной дороге Лак-Мегантик (2013)Гораздо реже аварии происходят, когда выходят из строя сами рельсовые цепи. Например:
Катастрофа на железной дороге в Коуэне , которая произошла, когда песок на рельсах изолировал колеса от рельсов, что привело к отказу шунтирования, из-за чего сигнальный блок неправильно отображал четкую сторону, что привело к столкновению сзади.
Крушение на железнодорожной станции Мораваны произошло на железнодорожной станции Мораваны . Сломанный дозатор песка привел к образованию слоя песка на рельсе, из-за чего он потерял шунт. Станционное оборудование интерпретировало это как освобождение пути и пропустило другой поезд на станцию, который затем врезался в предыдущий поезд сзади. [12]
22 июня 2009 г. Столкновение поездов Вашингтонского метрополитена , произошедшее из-за возникновения паразитных колебаний в модуле управления рельсовой цепью. [4]Поскольку рельсовые цепи работают, пропуская ток через один или оба пути, они иногда могут обнаружить, полностью ли сломался рельс. Однако, если разрыв только частичный или находится на стрелке (наборе стрелок), обнаружение может быть невозможным.
Крушение поезда Hither Green (1967) — сход с рельсов из-за поломки верхней части рельса Сход с рельсов поезда Weyauwega (1996) — необнаруженный сломанный рельс на стрелочном переводе. Железнодорожная катастрофа в Биг-Байу-Канот (1993 г.) — необнаруженный целый, но сильно искривленный бесстыковой рельс на мосту, который по-прежнему сигнализировал о состоянии пути.