Путевая цепь — электрическое устройство, используемое для доказательства отсутствия поезда на железнодорожных путях сигнальщикам и контроля соответствующих сигналов. 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, его бесперебойная работа имеет решающее значение. Следовательно, схема предназначена для индикации присутствия поезда в случае сбоя. С другой стороны, ложные показания занятости нарушают работу железных дорог и должны быть сведены к минимуму.
Путевые цепи позволяют системам железнодорожной сигнализации работать в полуавтоматическом режиме, отображая сигналы поездам о замедлении скорости или остановке при наличии занятых путей впереди них. Они помогают предотвратить несчастные случаи со стороны диспетчеров и операторов , как путем информирования их о занятости путей, так и путем предотвращения отображения небезопасных сигналов сигналами.
В рельсовой цепи обычно к каждой рельсе подается питание, а между ними подключена катушка реле . Когда поезда нет, на реле подается ток, протекающий от источника питания по рельсам. Когда присутствует поезд, его оси замыкают ( шунтируют ) рельсы вместе. Ток на катушке путевого реле падает, и оно обесточивается. Таким образом, цепи через контакты реле сообщают, занят ли путь.
Каждая схема обнаруживает определенный участок пути, например блок . Эти секции разделены изолированными стыками , обычно на обоих рельсах. Чтобы предотвратить ложное питание одной цепи от другой в случае повреждения изоляции, электрическая полярность обычно меняется с одной секции на соседнюю секцию. Цепи питаются низким напряжением (от 1,5 до 12 В постоянного тока). Реле и источник питания крепятся к противоположным концам секции, чтобы не дать сломанным рельсам электрически изолировать часть пути от цепи. 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 значительные тяговые токи подавляют очень малые токи рельсовой цепи.
Если тяга постоянного тока используется на бегущей линии или на путях, находящихся в непосредственной близости, то рельсовые цепи постоянного тока использовать нельзя; Аналогично, если используется электрификация переменного тока частотой 50 Гц, то нельзя использовать рельсовые цепи переменного тока частотой 50 Гц.
Чтобы обеспечить это, в рельсовых цепях переменного тока используются сигналы переменного тока (AC) вместо постоянного тока (DC), но обычно частота переменного тока находится в диапазоне звуковых частот от 91 Гц до 10 кГц. Реле предназначены для определения выбранной частоты и игнорирования 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, а локомотивы оснащены индуктивными датчиками для создания системы сигнализации в кабине .
Существует два распространенных подхода к обеспечению непрерывного пути для тягового тока, охватывающего несколько блоков рельсовых цепей. В самом простом методе изолированные соединения рельсовых цепей устанавливаются только на одном из двух рельсов, причем второй является путем для обратного тока и заземлением рельса рельсовой цепи. Недостаток этого метода заключается в том, что он позволяет обнаружить обрывы только на одной рельсе, поэтому в более популярной системе с двумя рельсами используются импедансные связи, позволяющие тяговому току проходить между изолированными блоками рельсовых цепей, одновременно блокируя ток на частотах рельсовых цепей.
Цепи переменного тока иногда используются в зонах, где возникают блуждающие токи, которые мешают работе рельсовых цепей постоянного тока.
Современные пути зачастую имеют сплошную сварку , при этом стыки свариваются при монтаже. Это дает множество преимуществ, за исключением системы сигнализации, которая больше не имеет естественных разрывов рельса, образующих блок-секции. Единственный способ сформировать дискретные блоки в этом сценарии — использовать разные звуковые частоты (AF) в каждой секции блока. Чтобы звуковой сигнал из одной секции не перешел в соседнюю секцию, пары настроенных схем подключаются через рельсы на границе секции. Настроенная схема часто включает в себя схему, которая либо подает переданный сигнал на дорожку, либо восстанавливает принятый сигнал с другого конца участка.
Рассмотрим железную дорогу с двумя блок-участками, как показано на схеме. Секция 1 имеет частоту А, подаваемую на левый конец и принимаемую на правый конец. Раздел 2 продолжается с правого конца раздела 1, где частота B вводится и затем принимается в правом конце раздела 2.
Часто существует разрыв между приемом частоты А и подачей частоты В. Это называется «настроенной зоной» и представляет собой участок пути, где амплитуда частоты A уменьшается в направлении участка 2, а амплитуда частоты B уменьшается в направлении участка 1. Зона настройки может быть длиной порядка 20 м.
Преимущества бесстыковых путевых цепей:
Недостатки бесстыковых путевых цепей:
CSEE (ныне Ansaldo STS ) UM71 — еще одна разновидность бесстыковой путевой цепи. Он использует 1700 Гц и 2300 Гц на одной дорожке и 2000 Гц и 2600 Гц на другой. [1] Чтобы уменьшить вероятность того, что блуждающие токи вызовут отказ на неправильной стороне, частота модуляции рассчитывается путем деления базовой частоты на 128. Различные скорости модуляции могут обнаруживаться оборудованием в поездах и использоваться для автоматического управления поездом при условии, что конец передатчика (Tx) находится в передней части поезда.
Бесшовные путевые 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 изменения частоты целого ряда рельсовых цепей в каскаде. DPU состоит из настроенной катушки, которая определяет наличие или отсутствие тока в соседней шине и соответственно включает или выключает реле. Одно из применений DPU — схемы синхронизации. Каждая частота рельсовой цепи имеет свой собственный DPU, настроенный на эту частоту. DPU могут быть расположены практически где угодно; они преодолевают ограничение, заключающееся в том, что бесшовные гусеницы имеют минимальную длину.
В неэлектрифицированных районах можно использовать рельсовые цепи постоянного тока. Они модулируют ток, идущий от источника питания к концу реле, и управляют сигналами и сигналами кабины без необходимости использования линейных проводов. Модулированные токи могут обнаруживаться оборудованием, подключенным к пути, для предоставления сигнальной и индикационной информации для активации надлежащей сигнализации в кабине, если таковая имеется. [2] Они могут быть дополнены системами прогнозирования для управления железнодорожными переездами. [3]
Марки кодированных рельсовых цепей включают:
Если длина участка превышает практическую длину рельсовой цепи, могут быть предусмотрены разрезанные пути. При обрезании пути реле последнего пути отключает питание источника питания предпоследней рельсовой цепи и так далее. Разрезанные гусеницы подходят только для однонаправленных гусениц.
Путевые цепи с загрязненным балластом будут короче, чем с хорошим балластом, поэтому потребуется больше разрезанных путей.
Одна из распространенных марок высоковольтных импульсных цепей (HVIT) производится компанией Jeumont-Schneider . Высокое напряжение проникает в ржавчину и другие проблемы.
HVIT попеременно передает два импульса: узкий положительный при напряжении около 100 В постоянного тока и более широкий отрицательный при напряжении около 30 В постоянного тока. Энергия обоих импульсов одинакова. На приемном конце RC-цепь объединяет два импульса, которые должны иметь правильные пропорции, чтобы реле могло их уловить. 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 блок-соединения устанавливаются парами, по одному на каждый рельс.
В электрифицированных районах необходим обходной путь, позволяющий тяговому току порядка тысяч ампер вернуться на подстанцию. Этого можно достичь за счет отсутствия изолированных блочных соединений на одном из рельсов, называемом обратным рельсом.
Если для передачи сильного тягового обратного тока необходимы оба рельса, то на обоих рельсах предусмотрены изолированные блокирующие соединения, а также предусмотрены импедансные связи для проведения тягового тока вокруг изолированных соединений. Импедансные связи, по сути, представляют собой катушки с центральным отводом, которые обеспечивают низкое сопротивление тяговому току, скажем, 50 Гц, и в то же время обеспечивают высокое сопротивление сигнальному току, скажем, 1,7 кГц.
Железнодорожные колеса изготавливаются из стали и обеспечивают хорошее короткое замыкание с рельса на рельс ( шунтирующее сопротивление ).
Более длинные поезда с большим количеством колес имеют лучшую проводимость. Короткие поезда, легкорельсовые моторы или одиночные паровозы могут стать проблемой. В Новой Зеландии были проблемы с не всегда обнаружением легких железнодорожных двигателей класса Rm ; см. Железнодорожную сигнализацию в Новой Зеландии . Поезда с одним рельсовым двигателем Бадда , которые также легкие и с дисковыми тормозами, имели некоторые проблемы при остановке, и им приходилось делать двойную остановку, чтобы обеспечить хороший контакт с рельсами. [ нужна цитата ]
Чугунные тормозные колодки очищают колеса от непроводящего мусора (например, листьев и тяговых смесей на основе песка), а дисковые тормоза этого не делают. В результате на некоторых транспортных средствах с дисковыми тормозами имеются «скребковые колодки», очищающие колеса, чтобы обеспечить правильную работу путевой цепи. [ нужна цитата ]
Реле рельсовых цепей , которые специалисты по обслуживанию сигналов называют «жизненно важными реле», специально разработаны для снижения вероятности сбоев на неправильной стороне . Например, они могут иметь углеродно-серебряные контакты, чтобы снизить вероятность приваривания неправильных контактов после скачков напряжения и ударов молнии.
Схема спроектирована таким образом, что подавляющее большинство отказов будет вызывать индикацию «путь занят» (известный как отказ правой стороны). Например:
С другой стороны, возможны режимы отказа, которые не позволяют схеме обнаруживать поезда (известные как отказ на неправильной стороне). Примеры включают в себя:
Режимы отказа, которые приводят к неправильному сигналу «освобождения пути» (обычно известному в США как «ложное освобождение»), могут позволить поезду войти в занятый блок, создавая риск столкновения. Колёсная окалина и короткие поезда также могут стать проблемой. Они также могут привести к тому, что системы предупреждения на железнодорожном переезде не сработают. Вот почему в британской практике в перекрестных схемах также используется педаль .
Для реагирования на эти типы сбоев используются различные средства. Например, реле рассчитаны на очень высокий уровень надежности. В районах с электрическими проблемами можно использовать различные типы рельсовых цепей, которые менее подвержены помехам. Скорость может быть ограничена, когда и где опавшие листья являются проблемой. Движение может быть запрещено для пропуска оборудования, которое не обеспечивает надежного маневрирования по рельсам.
Возможен саботаж. Во время крушения в Пало-Верде в 1995 году диверсанты электрически соединили участки рельсов, которые они сместили, чтобы скрыть сделанные ими разрывы пути. Таким образом, рельсовая цепь не обнаружила обрывов, а машинисту не была подана команда «Стоп». Другая форма саботажа, направленная не на то, чтобы вызвать крушение поезда, а просто на то, чтобы заставить поезда останавливаться и излишне замедлять ход в попытке подорвать экономику или потенциальные травмы, заключается в том, чтобы протянуть провод между двумя рельсами, вызывая ложный сигнал препятствия. [5] [6]
Путевая 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 приводили к сбоям в обнаружении. [7]
Более постоянная проблема – ржавчина. Обычно головку рельса очищают от ржавчины благодаря регулярному проезду колес поездов. Линии, которые не используются регулярно, могут стать настолько ржавыми, что их невозможно будет обнаружить. Редко используемые точки и переходы, а также концы линий конечных платформ также подвержены ржавчине. Меры по преодолению этого включают:
Изолированные стыки блоков могут быть перекрыты колесной окалиной, в некоторых случаях приводящей к выходу из строя одной или двух рельсовых цепей. Эту проблему можно решить, установив пару блок-соединений последовательно на расстоянии примерно 4 м друг от друга. Короткий 4-метровый участок сам по себе не будет замыкаться на рельсы. [8]
Электровозы должны избегать создания шума на частотах, используемых путевыми цепями. У SNCB класса 13 были такие проблемы.
Короткий, легкий и быстрый поезд, проезжающий по изолированному блок-узлу, может исчезнуть из отправляющейся путевой цепи до того, как он появится в прибывающей путевой цепи, что приведет к подаче ложных сигналов разрешения. Эту проблему можно решить, введя в отходящую рельсовую цепь задержку, скажем, 1–2 секунды. Электронные рельсовые цепи, такие как CSEE, могут легко включать такую задержку.
Иногда бывает удобно подключить детекторы набора точек через рельсовую цепь над этими точками. Это можно сделать одним из двух способов:
Простым средством обеспечения безопасности, которое есть во всех тяжелых железнодорожных поездах Великобритании, является зажим управления рельсовой цепью (TCOC) . [9] Это отрезок провода, соединяющий два металлических пружинных зажима, которые крепятся к направляющей. В случае аварии или препятствия зажим, прикрепленный к обоим рельсам, укажет на то, что эта линия занята, что поставит сигнал на этом участке под угрозу.
Процедура аварийной защиты [9] в Великобритании требует размещения TCOC на всех затронутых бегущих линиях, если невозможно немедленно установить контакт с сигнальщиком после аварии, когда соседние линии заблокированы.
TCOC неэффективны, если обнаружение поездов осуществляется не с помощью рельсовых цепей, таких как счетчики осей или педали .
Впервые рельсовая цепь была использована Уильямом Робертом Сайксом на коротком участке лондонской железной дороги Чатем и Дувр в Брикстоне в 1864 году. [10] Безотказная рельсовая цепь была изобретена в 1872 году Уильямом Робинсоном , американским инженером-электриком и механиком. . Его внедрение надежного метода обнаружения занятости блоков стало ключом к разработке систем автоматической сигнализации, которые сейчас используются почти повсеместно. [11] : 3 и далее
Первые железнодорожные сигналы управлялись вручную сигнальными тендерами или станционными агентами. Когда менять аспект сигнала, часто оставалось на усмотрение оператора. Человеческая ошибка или невнимательность иногда приводили к неправильной сигнализации и столкновениям поездов.
Появление телеграфа в середине девятнадцатого века показало, что информация может передаваться с помощью электричества на значительные расстояния, что стимулировало 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 систему железнодорожной сигнализации в виде модели в 1870 году. Полноразмерная версия впоследствии была установлена на железной дороге Филадельфии и Эри в Ладлоу, штат Пенсильвания (также известная как Кинзуа, штат Пенсильвания), где она доказала свою практичность. Его конструкция состояла из дисков с электроприводом, расположенных на небольших сигнальных будках, и была основана на открытой путевой цепи. Когда в блоке не было поезда, на сигнал не подавалось питание, что указывало на свободный путь. [11] : 4
Неотъемлемой слабостью этой конструкции было то, что она могла выйти из строя в небезопасном состоянии. Например, обрыв провода в рельсовой цепи будет ложно указывать на то, что на блокировке не было поезда, даже если он был. Понимая это, Робинсон разработал описанную выше рельсовую цепь с замкнутым контуром и в 1872 году установил ее вместо предыдущей схемы. Результатом стала полностью автоматическая, отказоустойчивая система сигнализации, которая стала прототипом для последующей разработки. [11] : 6–9
Несмотря на то, что Великобритания была пионером в использовании сигналов управления поездами, она не спешила принять 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 путевыми цепями.
Многочисленные аварии можно было бы предотвратить за счет создания рельсовых цепей, в том числе:
Железнодорожная катастрофа Нортона Фицваррена (1890 г.) Железнодорожная катастрофа на перекрестке Хоуз (1910 г.) Железнодорожная катастрофа в Квинтинсхилле (1915 г.).svg/1280px-Flag_of_Australia_(converted).svg.png){kind=small}
Столкновение Гери при пересечении петли (1963).svg/1280px-Flag_of_Canada_(Pantone).svg.png){kind=small}
Железнодорожная катастрофа Лак-Мегантик (2013)Гораздо реже случаются аварии, вызванные выходом из строя самих рельсовых цепей. Например:
Катастрофа на железной дороге в Коуэне , которая произошла, когда песок на рельсах изолировал колеса от рельсов, что привело к сбою в шунтировании, что позволило сигналу заднего блока неправильно отображать четкий вид, что привело к наезду сзади.
На железнодорожной станции Мораваны произошла железнодорожная катастрофа . Сломанный дозатор песка привел к образованию слоя песка на рельсе, из-за чего он потерял шунт. Станционное оборудование интерпретировало это как свободный путь и позволило проследовать на станцию другому поезду, который затем врезался в предыдущий поезд сзади. [12]
22 июня 2009 г. Столкновение поезда метрополитена Вашингтона , 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 определить, полностью ли сломался рельс. Однако если разрыв является лишь частичным или происходит на стрелке (наборе точек), обнаружение может оказаться невозможным.
Крушение рельса Hither Green (1967) - сход с рельсов из-за обрыва верхней части рельса. Крушение Вейаувеги (1996 г.) - незамеченный сломанный рельс на стрелочном переводе. Железнодорожная авария в Биг-Байу-Канот (1993 г.) - необнаруженный неповрежденный , но сильно скрученный бесстыковой рельс на мосту, который все еще указывал на явное состояние сигнала.