Помехи в рельсовой сети (стр. 1 из 2)
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.