Помехи в рельсовой сети со стороны тягового электроснабжения

Устройства, обеспечивающие безопасность движения поездов и соединенные с рельсовыми цепями, подвергаются постоянному воздействию помех со стороны тягового электроснабжения.

Источниками влияния, которые следует принимать во внимание при рассмотрении данного вопроса, являются генераторы помех и процессы суммирования их от нескольких источников (в том, числе резонанса в контактной сети).

Помехи, возникающие в контактной сети, могут появиться на входе приемников устройств СЦБ гальваническим путем или индуктивно.

Следует отметить, что передача сигналов АЛС происходит в специфических, свойственных только ей условиях. Во-первых, сигнал в каждой рельсовой цепи передается только от собственного источника и его уровень в рельсах по мере движения поезда непрерывно возрастает. Во-вторых, переход локомотива с одной рельсовой цепи на другую сопровождается кратковременным перерывом в приеме сигналов с пути и резким уменьшением сигнального тока в рельсах. К тому же, рельсовые цепи, связывающие движущийся локомотив с передатчиком сигналов, одновременно используют как в системе автоблокировки, так и на электрифицированных железных дорогах и метрополитенах для пропуска тягового тока. Итак, существует большое число возможных воздействий на прием сигналов АЛС.

Одним из основных параметров, который определяет устойчивую передачу сигналов, является номинальный ток АЛС в рельсах в начале рельсовой линии. Ток в рельсах определяется по напряжению, индуктируемому им в приемных катушках и измеренному на выходе локомотивного фильтра с тем, чтобы посторонние токи другой частоты не исказили результаты [2].

Целью исследований является анализ работы устройств АЛС-АРС на основании оценки параметров кодовых сигналов и определения источников импульсных и гармонических помех, влияющих на коды АЛС.

Оценим параметры кодовых сигналов системы АЛС-АРС, полученные в результате измерительной поездки в метро.

Известно, что в системе АЛС-АРС используются непрерывные кодовые сигналы частотой 75, 125, 175, 225 и 275 Гц, которые соответствуют допустимым скоростям движения поезда 80, 70, 60, 40 и 0 км/ч. Отсутствие сигнальных частот расценивается как сигнал остановки, т.е. как сигнал частотой 275 Гц. Информация о допустимой скорости движения воспроизводится в виде цифровой индикации на локомотивном указателе в кабине машиниста. Сигнальный ток АЛС-АРС передается по рельсовой цепи параллельным наложением.

В метрополитене используются как стыковые, так и бесстыковые рельсовые цепи. В бесстыковых рельсовых цепях для передачи информации используют сигналы 725 и 775 Гц с частотами модуляции 8 и 12 Гц. Кроме того, в качестве вспомогательной применяется несущая частота 575 Гц с теми же частотами модуляции.

Величина сигнала каждой частоты должна находится в пределах 370 –700 мВ [3].

На рис. 1 изображен сигнал, снятый с катушек АЛС-АРС, для одной из рельсовых цепей длительностью 8,6 с. В начале рельсовой цепи измеренное напряжение на катушках АЛС было равно 250 мВ, а в конце – 750 мВ. Таким образом, сигнал увеличился от начала к концу линии в 3 раза. На других участках ток увеличивается в 5–6 раз. Времени t = 8,2 с соответствует момент перехода поезда с одной рельсовой цепи на другую. В данном случае перерыв в приеме сигнала является настолько коротким, что не может послужить причиной остановки поезда. Также на рис. 1 показан спектр сигнала данной рельсовой цепи.

На рис. 2. представлен фрагмент сигнала, снятого с катушек АЛС при движении поезда по другой рельсовой цепи. В данной рельсовой цепи используются сигналы частотой 175, 225 и 325 Гц. Основными являются частоты 175 и 225 Гц. Более низкая частота (175 Гц) несет информацию о текущем значении допустимой скорости на участке, а более высокая (225 Гц) – предупредительную информацию об ожидаемой допустимой скорости на следующем участке пути по ходу движения. Комбинация частот 225 и 325 Гц используется в кодовом сигнале направления движения и несет основную информацию об ожидаемой допустимой скорости движения 40 км/ч.

Было получено, что плотности вероятностей кодовых сигналов, снятых с катушек АЛС, распределяются по экспоненциальному закону. Спектральная плотность кодовых сигналов АЛС-АРС соответствует форме, описанной в работе [4]. В качестве примера на рис. 3 представлено распределение плотности вероятности сигнала частотой 175 Гц и его статистические характеристики. Колебание частоты кодовых сигналов АЛС не превышает ±4,5%, что является допустимым при полосе пропускания фильтра 12 Гц.

На передачу сигналов АЛС-АРС в первую очередь влияют импульсные и гармонические помехи. Проанализируем источники гармонических помех.

Источниками гармонических помех в метрополитене являются тяговые сети постоянного тока и токи рельсовых цепей с отличной сигнальной частотой.

В настоящее время широко применяются шестипульсовые выпрямители, хотя следует отметить перспективность двенадцати- и двадцатичетырехпульсовых выпрямителей. В таблице приведены величины амплитуд гармонических составляющих в кривой выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя при симметричном синусоидальном первичном напряжении для шести-, двенадцати- и двадцатичетырехпульсовых выпрямителей.

Таблица. Величины амплитуд гармонических составляющих в кривой выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя

Номер гармоники		6	12	18	24	30	36	42	48
Частота гармоники, Гц		300	600	900	1200	1500	1800	2100	2400
Относительные величины амплитуд гармоник к постоянной составляющей выпрямленного напряжения, %		5,7	1,4	0,6	0,35	0,22	0,15	0,11	0,09
Амплитуда гармоники в зависимости от типа выпрямителя, В	6-пульсовый	47,025	11,55	4,95	2,8875	1,815	1,2375	0,9075	0,7425
	12-пульсовый	-	11,55	-	2,8875	-	1,2375	-	0,7425
	24-пульсовый	-	-	-	2,8875	-	-	-	0,7425

При несимметричных несинусоидальных первичных напряжениях, кроме канонических (четных) гармоник, кратных 300 Гц для шестипульсовых выпрямителей, 600 Гц – для двенадцатипульсовых и 1200 Гц – для двадцатичетырехпульсовых, в кривой выпрямленного напряжения присутствуют и неканонические (нечетные), кратные 50 Гц (50, 100, 150 Гц и т.д.). Величины неканонических гармонических составляющих зависят от углов коммутации и запаздывания при несимметрии питающего напряжения управляемых выпрямителей. Так, при угле запаздывания 60⁰ и углах коммутации от 0 до 10⁰ они могут достигать для шестой гармоники 25% от выпрямленного напряжения, двенадцатой – 11,5%, восемнадцатой и двадцать четвертой – 6%, четырнадцатой, шестнадцатой, двадцатой и двадцать второй – 1,5%. При больших углах коммутации величина амплитуды гармоники снижается [5].

Тяговый ток протекает по двум рельсовым линиям. ЭДС, индуктируемые в приемных катушках, направлены встречно и взаимно складываются. Поэтому, мешающее воздействие тяговых токов и их гармоник на устройства АЛС проявляется лишь тогда, когда токи в рельсах оказываются неравными между собой или в приемных катушках равные токи индуктируют неравные ЭДС [2].

Результаты опыта показали присутствие гармоники 300 Гц в рельсовых цепях метрополитена вблизи фидеров обратного тока. На рис. 4 показана плотность распределения вероятности гармоники 300 Гц. Вероятности, полученные по результатам экспериментальных данных, обозначены точками. Аппроксимированная кривая проведена линией. Максимум гармоники 300 Гц составил 379 мВ, минимум – 100 мВ, математическое ожидание – 177 мВ, среднеквадратическое отклонение – 74 мВ. Наличие этой гармоники говорит о неправильной работе сглаживающих устройств на тяговой подстанции. Эта гармоника не может повлиять на работу системы АЛС-АРС.

Проанализируем причины появления импульсных помех.

Импульсные помехи возникают, как правило, в результате резких изменений значений тягового тока в рельсах, на локомотиве, а также намагничиваемости рельсов. Как указывается в работе [2], продолжительность периода следования разнополярных импульсов помех зависит от расстояния между магнитными полюсами намагничиваемого места и скорости движения поезда. Примерно при скорости движения поезда 120 км/ч продолжительность периода импульса совпадает с периодом колебаний сигнальной частоты 25 Гц для АЛС электрифицированных железных дорог переменного тока. При проведении экспериментальных исследований в метро такой гармоники обнаружено не было.

Источники импульсных помех – коммутационные процессы при токосъеме, в коллекторах машин, преобразовательных установках и других элементах электрической схемы локомотива.

Помехи, вызванные работой коллекторного генератора постоянного тока, обусловлены дискретностью строения магнитной системы и обмотки якоря. Частота основной гармоники, вызванной коммутациями (иначе, коротким замыканием секций якоря щеткой), определяется из соотношения

,

где р – число пар полюсов электрической машины; n – частота вращения якоря, мин ^–1.

Частота основной гармоники переменной составляющей равна 30 Гц. Здесь наиболее весомыми являются гармоники от 0 до 350 Гц.

Пазовые и зубцевые помехи вызваны поперечными и продольными пульсациями магнитного потока и зависят от частоты вращения якоря n и количества пазов z.

Частота зубцевых f_зп и пазовых f_пп помех

;

при z/p четных и

при z/p нечетных.

Наиболее весомыми здесь являются гармоники 0 –350 и 850 – 1000 Гц, а пазовых – 0 – 150, 400 – 500, 600 – 900 Гц [6].

Также наблюдаются случайные импульсные помехи, возникающие при процессах коммутации в электрических аппаратах, длительностью до 10 мкс.

По результатам эксперимента можно сделать вывод о наличии следующих импульсных помех, возникающих в процессе работы локомотива: 275 Гц и 320 Гц амплитудой до 150 мВ, 550 Гц – до 250 мВ, 650 Гц – 160 мВ, 720 Гц – до 250 мВ. Гармоники частотой 275, 550 и 720 Гц могут быть восприняты устройствами АЛС и рельсовых цепей как полезный сигнал и оказать мешающее или опасное действие на работу системы АЛС-АРС в зависимости от их длительности и амплитуды.

Для исследования сигналов, снятых с катушек АЛС, была разработана специальная программа в среде Matlab, позволяющая определять спектры, амплитуды и фазы частот.

Список литературы

1. К.М. Махмутов. Устройства интервального регулирования движения поездов на метрополитене. – М.: Транспорт, 1986. – 351 с.

2. А.А. Леонов. Техническое обслуживание автоматической локомотивной сигнализации.   М: Транспорт, 1982. – 255 с.

3. Техническое описание системы интервального регулирования движения поездов на метрополитене «Днепр».-К., 1992. – 30 с.

4. Ю.В. Соболев. Путевые преобразователи автоматизированных систем управления железнодорожного транспорта. – Харьков: ХФИ «Транспорт Украины», 1999. – 200 с.

5. М.Д. Трейвас. Высшие гармонические выпрямленного напряжения и их снижение на тяговых подстанциях постоянного тока.   М: Транспорт, 1964. – 100 с.

6. А.Н. Муха. Помехоустойчивость релейной аппаратуры электроподвижного состава, построенной с применением современной элементной базы. // Транспорт. Сб. науч. тр. Днепропетр. гос. техн. ун-та ж. д. трансп. –2001.-Вып.7. – С. 79–85.