Потребление энергии. Типы и емкость первичных элементов. Питание переменным током. Питание переменным током с резервом от батарей. Буферная система питания. Типы аккумуляторных батарей. Питание переменным током с резервом от первичных элементов. Энергоснабжение централизаций. Энергоснабжение прочих устройств СЦБ.
Линии передачи для устройств СЦБ. Применение статических конденсаторов. Столбовые линии СЦБ. Столбы и траверсы. Изоляторы.
Управление устройствами СЦБ и их контроль осуществляются в современных системах СЦБ посредством электрической энергии. Пневматическая энергия применяется для электропневматических сигналов, стрелочных приводов и вагонных замедлителей. Перевод стрелок и сигналов в механических централизациях осуществляется непосредственно сигналистами.
Сжатый воздух для приведения в действие пневматических приводов подается компрессорами, приводимыми в действие электродвигателями. Производительность компрессоров определяется по объему работы установки, кроме того, устанавливаются воздухосборники, что позволяет компрессорам работать неполные сутки.
Электрическая энергия постоянного тока подается батареями или выпрямителями; последние питаются переменным током. Для питания аппаратуры СЦБ переменного тока используются электросети общего пользования с установкой местных трансформаторов для получения необходимого напряжения.
Согласно основному принципу устройств СЦБ прекращение подачи энергии или обрыв провода в цепи управления, а также в сигнальной цепи должны повлечь за собой появление запрещающих показаний на одном или нескольких сигналах.
При этом почти во всех случаях питания устройств СЦБ от внешних источников переменного тока предусматриваются резервные источники питания, вводимые в действие при прекращении подачи энергии от основного источника и позволяющие сохранить непрерывность действия устройств СЦБ.
Это требование не является обязательным на участках с электрической тягой, где прекращение подачи энергии связано с остановкой движения и где в таких случаях отпадает необходимость в работе устройств СЦБ.
Потребление энергии.
С точки зрения питания аппаратура автоматической блокировки может быть подразделена на три основные группы: путевые реле и их цепи, управляющие реле и их цепи, сигналы и сигнальные цепи.
В рельсовой цепи электрическая энергия подается к двум рельсам одного конца рельсовой цепи, на другом конце которой включено реле. Для полного притяжения якоря современного путевого 4-ом реле постоянного тока необходим ток 78 ма и соответственно напряжение 0,312 в.
Значительная часть подаваемой в рельсовую цепь энергии не доходит до релейного конца из-за утечки в балласте между рельсами. При сыром балласте на питающем конце необходима подача тока 200 ма или более при напряжении 0,65 в. При замыкании рельсовой цепи колесными скатами поезда ток возрастает, но только до определенной величины, обусловливаемой ограничивающим сопротивлением. Рельсовая цепь потребляет в год энергию от 3 до 5 квт-ч.
В качестве линейных управляющих реле обычно применяются 500-ол* реле, питаемые постоянным током напряжением 8 в, при 14 ма во время, когда блок-участок не занят поездом. Такая цепь ежегодно потребляет около 0,98 квт-ч. Для снижения этого потребления может быть применена схема с нормально обесточенными линейными реле. Применение этой схемы может быть целесообразно при питании линейных цепей от местных батарей: Светофоры находятся на предварительном зажигании и включаются при подходе поезда или при проходе поезда и занятом блок-участке. Лампа линзового светофора потребляет мощность 21 вт, а прожекторного —16 в т.
На участках, где сигналы горят значительную часть суток, применяются для линзовых сигналов 10-в/л, а для прожекторных сигналов 5-вт лампы.
Для продления срока службы ламп они обычно горят при напряжении, которое соответствует 80% номинальной мощности. Таким образом, мощность, потребляемая сигналами, определяется схемой включения, типом ламп, а также количеством и длиной поездов.
Типы первичных элементов.
В технике СЦБ обычно применяются первичные элементы с электролитом из раствора едкого натра.
Напряжение батареи, составленной из элементов, где в качестве электролита применен раствор едкого натра и где используются электроды медноокисные и из амальгамированного цинка, составляет 0,65 в на элемент. При таком же электролите и при цинковом электроде, но при некоторых химических изменениях структуры медноокисного электрода напряжение элемента может быть повышено до 0,86 в.
Напряжение элемента с воздушной деполяризацией при угольных и цинковых электродах и с электролитом из едкого натра составляет 1,25 в. При перезарядке подобных мокрых первичных элементов старый электролит и электроды выбрасываются, сохраняется только стеклянная банка и крышка. При этом угольный электрод рассчитывается для работы на несколько циклов перезаряда.
Третьим типом первичного элемента является сухой элемент, у которого электролит находится в сухом виде. Элемент при изготовлении заливают смолкой. После использования элемент выбрасывают. Эти элементы используются для нормально разомкнутых цепей при прерывистом потреблении тока, как, например, для звонков, известителей, а также для схем зажигания в двигателях дрезин. Емкость первичных элементов. Мокрые типы первичных элементов, применяемые в устройствах СЦБ, обычно имеют емкость 500 а-ч; имеются такие элементы и емкостью 1 000 а-ч. Полусухие первичные элементы изготовляются емкостью до 800 а-ч. Сухие элементы имеют емкость от 30 до 60 а-ч.
Три первичных элемента емкостью по 500 а-ч, включенных для питания рельсовой цепи с 4-ом реле, достаточны для работы цепи в продолжение 8—9 месяцев. При чистом балласте, который не касается подошв рельсов, этот срок в отдельных случаях может быть доведен до года.
Батарея из первичных элементов напряжением 7,8 в при емкости 500 а-ч может питать цепь линейного реле в продолжение 3 лет. Батарея напряжением 10,4 в и емкостью 500 а-ч питает привод семафора и его лампу на период времени примерно 2,5 года.
Питание переменным током. На электрифицированных линиях не могут применяться рельсовые цепи постоянного тока. Для таких линий в 1913 г. была разработана система автоблокировки с оборудованием, работающим на переменном токе. Эта система в последующем нашла широкое применение и на линиях с паровой тягой. Ряд систем скоростной авторегулировки и локомотивной сигнализации работает на переменном токе частотой 100 периодов.
При автоблокировке переменного тока оборудуется высоковольтная линия напряжением от 4 400 до 6 600 в, питаемая от подстанции. У каждой сигнальной установки ставится трансформатор для снижения высокого напряжения до 110—115 в. Второй понижающий трансформатор устанавливается в релейном шкафу для дальнейшего снижения напряжения до 10—15 в, которое используется для питания рельсовых цепей и сигнальных ламп. Для бесперебойного питания устройств СЦБ предусматриваются резервные электростанции переменного тока; в отдельных случаях и особенно в пределах станционных территорий устанавливаются дублирующие линии передачи. Аппаратура переменного тока, не считая ламп, потребляет энергии больше, чем соответствующая аппаратура постоянного тока.
Питание переменным током с резервом от батарей.
Переменный ток обычно используется для питания ламп. Переменный ток подается также на выпрямители, питающие аппаратуру постоянного тока; резервом служат батареи, воспринимающие всю нагрузку при прекращении подачи переменного тока. Различаются две системы питания переменно-постоянным током: буферная с применением аккумуляторных батарей и питание переменным током с резервом от первичных элементов.
Буферная система питания. При буферной системе питания к каждой аккумуляторной батарее подключен выпрямитель. Питание устройств СЦБ осуществляется выпрямленным током. Аккумуляторная батарея находится в состоянии непрерывного подзаряда. Путевые батареи подключаются непосредственно к рельсовым цепям. Для питания линейных цепей применяется 8—10-е батарея.
Большинство дорог для питания светофорных ламп использует переменный ток, при прекращении подачи переменного тока аварийное реле переключает лампы на батареи (смешанная система). Некоторые дороги питают и лампы по буферной системе, что позволяет отказаться от применения аварийных реле.
Аккумуляторные батареи, работающие в буферном режиме, применяются емкостью 75 а*ч и более. Выбор емкости определяется необходимостью обеспечения длительной работы устройств СЦБ от аккумуляторов при прекращении подачи переменного тока.
В отдельных районах при серьезных разрушениях, вызываемых такими, например, бедствиями, как ураганы или наводнения, подача переменного тока прекращается на сравнительно длительный срок, доходящий иногда до недели. На этот период питание устройств СЦБ должно бесперебойно обеспечиваться аккумуляторами.
На участках автоблокировки с буферной системой питания расход энергии составляет в течение года 30 квт• ч на километр при среднем количестве 1,2 сигнала на километру соответственно при таком же количестве рельсовых цепей. В последние годы в типовые конструкции приборов автоблокировки внесено много улучшений, снижающих потери в трансформаторах и выпрямителях. Таким образом, приведенная выше цифра расхода энергии должна быть откорректирована в сторону значительного ее уменьшения.
Типы аккумуляторных батарей. В устройствах СЦБ применяются свинцово-кислотные и щелочные железоникелевые аккумуляторы. В нормативах Сигнальной секции Американской железнодорожной ассоциации рассматриваются три типа свинцовых аккумуляторов. У аккумуляторов первого типа положительные пластины состоят из чистого свинца на сурьмяной решетке цилиндрической формы, активный слой образуется электрохимической формовкой. В качестве отрицательных пластин применяются пастированные пластины.
У аккумуляторов второго типа положительные пластины образуются из куска чистого катаного свинца равномерной толщины с электрохимической формовкой активного слоя на поверхности пластины. Здесь в качестве отрицательных пластин также применяют пастированные пластины.
У аккумуляторов третьего типа пастированные пластины применяются в качестве как положительных, так и отрицательных пластин. Все типы аккумуляторов собираются в стеклянных закрытых сверху сосудах. Аккумуляторные батареи для устройств СЦБ рассчитываются на буферный подзаряд, т. е. на подзаряд малой силой тока и на возможность длительного разряда при сравнительно небольшой нагрузке.
Согласно нормативам Сигнальной секции Американской железнодорожной ассоциации положительные пластины железо-никелевых аккумуляторов должны иметь трубчатую форму и изготовляться из перфорированной стальной ленты. Активной массой положительных пластин является окись никеля. Пластины монтируются в рамках из никелированной стали. Отрицательные пластины также выполняются из перфорированной стальной ленты и также устанавливаются в рамках из никелированной стали; для этих пластин активной массой является окись железа.
Сосуды железо-никелевых аккумуляторов изготовляются из холоднокатаной рифленой стали с никелевым покрытием. Сосуды окрашиваются изолирующей краской. Как свинцово-кислотные, так и железо-никелевые аккумуляторы широко применяются в устройствах СЦБ.
Рабочее напряжение железо-никелевых батарей составляет 1,5—1,6 в на один аккумулятор, а свинцово-кислотных батарей — 2,1—2,2 в на аккумулятор.
Соответственно с более низким напряжением железо- никелевых аккумуляторов для линейной цепи автоблокировки устанавливают 7—8 таких аккумуляторов вместо 4—5 свинцовых аккумуляторов. Для рельсовой цепи вклю чают один аккумулятор того или иного типа.
Питание переменным током с резервом от первичных элементов. При этой системе для питания рельсовых цепей используется выпрямитель, включенный в рельсовую цепь совместно с батареей из первичных элементов. С помощью специальной регулировки батарея нормально разряжается током 10 ма или менее, остальная нагрузка воспринимается выпрямителем. При шунтировании рельсовой цепи нагрузка, превышающая возможности выпрямителя, воспринимается батареей. В некоторых системах питание рельсовых цепей в незанятом и занятом состояниях производится целиком от выпрямителей и при прекращении подачи переменного тока переключается на батарею из первичных элементов.
На рельсовых цепях, где ток при их шунтировании достигает400—500 ма и где велики размеры движения, можно снизить нормальный разряд батареи до 5 ма и ниже, хотя некоторые типы батарей могут работать не разряжаясь в нормальных условиях. При таком режиме первичная батарея работает 3,5—4 года. Если экономия в стоимости батарей, возникающая в результате установки выпрямителей с питанием их переменным током, не превышает затрат по оборудованию питающей линии переменного тока, то питание рельсовых цепей осуществляется целиком от первичных элементов (рис. 1).
Рис. 1. Типовая установка первичных элементов для питания рельсовых цепей
На сигнальных установках, где выпрямители подключены к первичной батарее напряжением 8,5 в и емкостью 500 а. Ч, система отрегулирована так, что нормальная разрядная сила тока находится в пределах от 2 до 7 ма. При таком режиме батарея работает примерно 5 лет.
Электроснабжение централизаций.
Двигатели стрелочных приводов электрических централизаций питаются от аккумуляторных батарей напряжением 110 в. Емкость аккумуляторных батарей определяется числом стрелок. В современных системах эти батареи работают в буферном режиме, получая от выпрямителей подзарядный ток 1—2 а.
Стрелки электропневматических централизаций переводятся сжатым воздухом, подаваемым компрессорами, которые работают от электродвигателей. Мощность компрессоров определяется количеством обслуживаемых стрелок. Компрессоры нагнетают сжатый воздух в воздухосборники и включаются в работу автоматически по мере снижения давлении (рис. 2).
Рис. 2. Компрессорная установка для подачи сжатого воздуха к стрелочным электропневматическим приводам и вагонным замедлителям
При использовании двух компрессоров мощность каждого из них может быть сравнительно небольшой. Одна машина работает для поддержания нормального давления; при снижении давления ниже нормы автоматически включается в действие вторая машина.
При больших повреждениях, возникающих, например, при наводнениях или ураганах и влекущих за собой перерыв в действии устройств энергоснабжения, сжатый воздух можно подавать локомотивными пневматическими установками.
В современных централизациях в качестве сигналов используются светофоры. Нормальное питание этих светофоров осуществляется переменным током, при прекращении подачи которого питание переключается на батареи. В некоторых установках вместо резервных батарей используется система из генератора с бензиновым двигателем; пуск этой системы производится автоматически при перерыве в подаче электрической энергии.
Цепи управления централизаций питаются обычно от батарей, но могут питаться и от выпрямителей с батарейным резервом. Рельсовые цепи питаются от батарей, выпрямителей или трансформаторов.
Энергоснабжение прочих устройств СЦБ
. Энергоснабжение систем удаленного управления, установок диспетчерской централизации, ограждающих устройств на переездах практически осуществляется таким же образом, как и для автоматической блокировки, если говорить о питающих устройствах для сигналов и рельсовых цепей. Электродвигатели централизованных стрелок установок удаленного управления являются низковольтными и работают от напряжения 10—20 в. Питание приводов этих стрелок производится от первичных элементов или аккумуляторов. Для заряда аккумуляторных батарей применяются выпрямители.
Для питания вагонных замедлителей электрического действия, для которых необходимы токи кратковременные, но большой силы, могут быть использованы аккумуляторы, генераторы постоянного тока или ртутные выпрямители.
Линии передачи для устройств СЦБ.
Изложенное выше позволяет установить, что для всех установок СЦБ, за исключением установок с питанием только от первичных элементов, переменный ток является основным источником энергоснабжения. В городах и населенных пунктах, расположенных вдоль железных дорог, питание устройств СЦБ осуществляется от местных коммерческих энергосетей общего пользования. Размеры потребления энергии на 1 км железнодорожной линии и протяженность питаемого участка определяют необходимое напряжение линии передачи и сечение проводов.
При питании переменным током с резервом от первичных элементов или при буферной системе необходимы линии передачи, но бесперебойность их работы не имеет, однако, решающего значения. Присоединения таких линий передачи производятся по трассе железной дороги к источникам энергии местных компаний, даже и в случаях, когда источники эти изредка повреждаются. Нет необходимости производить присоединения подобных линий передачи к двум или более источникам энергии. При этом линия передачи, присоединенная к источнику энергии в каком-либо городе, прокладывается вдоль примерно половины участка навстречу линии передачи, начинающейся в другом городе. Между обеими линиями передачи может быть оставлено расстояние, равное длине рельсовой цепи, получающей питание от одной из этих линий передачи.
При таких условиях необходимо небольшое сечение проводов и напряжения 110, 220, 440, 550 или 660 в. Выбор напряжения определяется длиной плеча линии передачи.
Для подвески проводов линий передачи с напряжением до 550 в и мощностью до 3 200 вт можно использовать существующие столбовые линии связи, установив на них дополнительную траверсу. В этом случае наиболее удобной является линия с напряжением 110 в, так как при этом отпадает необходимость в линейных трансформаторах.
Для обычной системы СЦБ, с распределенными вдоль участка линейными точками, питание может быть осуществлено однофазной линией передачи напряжением 550 в по медным проводам с получением в конце участка напряжения примерно 460 в. При соответствующем включении выводов трансформаторов или при использовании конденсаторов падение напряжения в линии может быть частично скомпенсировано. При таких методах питания у линейного столба каждой сигнальной установки устанавливается трансформатор 550/114 в мощностью 100 вт. В релейных шкафах этих установок ставятся дополнительные трансформаторы с напряжениями в первичной обмотке 115 в, а во вторичной — от 3 до 15 в, которые используются для питания сигнальных ламп выпрямителей, и т. п.
Применение статических конденсаторов.
Нагрузка большинства приборов СЦБ имеет индуктивный характер, что увеличивает силу линейного тока и соответственно повышает потери в линии. Для повышения коэффициента мощности в некоторых случаях в линию передачи включаются конденсаторы. Этим повышается напряжение в конце линии и, кроме того, создается возможность применения в линиях передачи проводов меньшего сечения.
Столбовые линии СЦБ.
Для большинства перегонных систем СЦБ необходимы линейные провода для контроля и управления, а также для передачи энергии.
Провода эти размещаются на столбовых линиях, идущих вдоль железной дороги в пределах полосы отвода. В системах, где число линейных проводов сравнительно невелико, эти провода размещаются па дополнительных траверсах, устанавливаемых па существующих столбовых линиях, в первую очередь на линиях связи. Экономичность такого решения определяется рядом обстоятельств. Здесь имеет значение и то, кому принадлежит эта столбовая линия, а именно: принадлежит ли она железной дороге, находится ли она в совместном владении железной дороги и компании связи или принадлежит только компании связи.
Имеют также существенное значение и условия, в которых находится существующая линия. В значительном количестве случаев, если необходима установка новых удлиненных опор на переездах для обеспечения габарита из-за крепления дополнительных траверс, более дешевым оказывается сооружение новой самостоятельной столбовой линии для проводов СЦБ.
Важным обстоятельством является и то, что самостоятельная столбовая линия для проводов СЦБ устраняет возможность падения проводов связи на провода СЦБ и возникновения вследствие этого перерывов в действии устройств СЦБ или появления ложных разрешающих показаний. Следующим существенным обстоятельством является то положение, что при подвеске на столбовых опорах линии связи проводов линии передачи, необходимых при буферном питании и при питании переменным током с резервом от первичных элементов, возникает ограничение в мощности передаваемой энергии из-за возможности помех в цепях связи.
Рис. 3. Столбовая высоковольтно-сигнальная линия СЦБ на пропитанных столбах, провода трехфазной линии передачи размещены на верхней траверсе, низковольтные линейные провода постоянного тока размещены на нижней траверсе
Исходя из указанного, при сооружении современных устройств СЦБ на линейных участках и где необходима передача значительного количества энергии для систем с буферным питанием или с питанием переменным током и резервом от первичных элементов, многие дороги предпочитают сооружение самостоятельных столбовых линий для проводов СЦБ (рис. 3). Ныне на железных дорогах США имеется около 40 000 км таких столбовых линий.
Столбы и траверсы.
Деревянные столбы классифицируются по их длине и периметру, который они имеют на расстоянии 1,8 м от начала столба в его комлевой части.
Некоторые породы, произрастающие в отдельных районах США, используются для столбов только в этих районах. В большинстве случаев на железных дорогах применяются столбы из желтой сосны с пропиткой по всей длине. Опыт показал, что эти столбы лучшие по качеству и прочности.
Траверсы для столбовых линий СЦБ изготовляются из ели или креозотированной сосны; применяют для траверс и кипарис.
Изоляторы.
Надежность работы линейных цепей СЦБ, а также линий передачи для устройств СЦБ в значительной степени зависит от состояния изоляции.
Важнейшим элементом изолирующих устройств является изолятор. Изоляторы обычно делаются из стекла, фарфора или патентованных синтетических смол.
Изоляторы обычного типа рассчитаны для установки на деревянных или стальных штырях, и использования их в качестве проходных изоляторов и для конечной заделки проводов. Изоляторы выполняются с одной или большим количеством шеек и с одной или большим количеством юбок, применительно к величине напряжения, на которое они рассчитаны.
Стеклянные изоляторы дешевле изоляторов других типов; они применяются при напряжении 220 в и ниже. Изоляторы эти прозрачны, и трещины в них легко обнаруживаются. На них легко скапливается жидкость и грязь, что снижает изоляцию. Стеклянные изоляторы разбиваются легче, чем изоляторы других типов.
Фарфоровые изоляторы применяются в устройствах СЦБ при напряжении 440 в и выше, эти изоляторы вызывают меньше опасений в отношении снижения изоляции, чем стеклянные. Благодаря своим отличным характеристикам фарфоровые изоляторы применяются почти всегда при работе на высоких напряжениях. Вместе с тем некоторые дороги применяют при таких напряжениях стеклянные изоляторы, выполненные из специальных сортов стекла.
Для конечной заделки, для угловых опор с малым внутренним углом, а также для длинных пролетов применяются обычно фарфоровые изоляторы.