DETEKCE KOLEJOVÝCH VOZIDEL

4

3.5

3

b [Np/km]

2.5

2.5 kHz, 1 S/km

2

2.5 kHz, 0.5 S/km

1.5 275 Hz, 1 S/km 1

0.5

75 Hz, 1 S/km

0 0

1000

2000

3000

4000

5000 C [mF/km]

6000

7000

DETEKCE KOLEJOVÝCH VOZIDEL v železniční zabezpečovací technice V. Chudáček a kol.

Praha, 2005

8000

9000

10000

Předmluva Tato publikace je II., doplněným, vydáním stejnojmenné publikace z roku 1997. Železniční zabezpečovací systémy se ani ve své jednoduché podobě nemohou obejít bez spolupůsobení vlaků. U modernějších zařízení pak podsystémy, které informace o poloze vlaků (nebo jednotlivých vozidel) zprostředkovávají, mají na výslednou bezpečnost a spolehlivost systému často rozhodující vliv. O systémovém zařazení těchto prostředků je pojednáno v publikaci Železniční zabezpečovací technika. První část je věnována kolejovým obvodům, představitelům liniových detekčních prostředků, které jsou u nás nejrozšířenější. Jim je konečně mimořádná pozornost věnována již od prvního předvedení v roce 1870 (což dokumentuje i množství odborné literatury) a tak by se zdálo, že řadě předcházejících autorů nemohlo uniknout nic, co by za pozornost stálo. V průběhu času se ale podstatně změnily prostředky, které lze uplatnit při vývoji, konstrukci a údržbě kolejových obvodů. Výpočetní technika dnes poskytuje pro analýzu a syntézu kolejových obvodů nové možnosti tam, kde dříve bylo třeba používat ne zcela oprávněných zjednodušení nebo nepříliš přesných grafických metod. Nové prostředky tak umožňují vlastně teorii kolejových obvodů zjednodušit a zejména zobecnit tak, aby vyhovovala i pro nové typy kolejových obvodů. Kromě toho se podstatně rozšířily poznatky o působení cizích vlivů a možnostech ochran před nimi. Pro úplnost jsou uvedeny i některé zajímavé postupy, související s tzv. ekvivalentním schéma kolejového obvodu, které jsou sice platné pouze pro klasické obvody s izolovanými styky, ale pro ně jsou velmi účinným nástrojem (tyto části jsou tištěny kurzívou). Na této části spolupracovali Vl. Kyjovský a I. Konečný. Druhá část je věnována skupině moderních bodových prostředků a je převzata beze změny z prvního vydání, pro které ji připravil L. Lochman. Smyslem tohoto materiálu je podat pokud možno zobecněný výklad elementárních jevů a zařízení, shrnout stávající stav znalostí a tak poskytnout podklady pro další práce v této oblasti. Na mysli jsme měli i studenty oboru. Chudáček V Praze dne 15.12.2005

2

OBSAH ČÁST I. - KOLEJOVÉ OBVODY 1

ÚČEL A POUŽITÍ KOLEJOVÝCH OBVODŮ .................................................................................. 5 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

2

KOLEJOVÉ VEDENÍ .......................................................................................................................... 17 2.1 2.2 2.3 2.4

3

ROZVĚTVENÉ OBVODY ..................................................................................................................... 51 NEOHRANIČENÉ OBVODY ................................................................................................................. 53 OBVODY S ELEKTRICKÝMI STYKY .................................................................................................... 54 SÉRIOVÉ OBVODY .......................................................................................................................... 55 PŮSOBENÍ VLIVŮ .............................................................................................................................. 57 CHARAKTERISTIKA ZDROJŮ CIZÍCH VLIVŮ ........................................................................................ 66 MEZNÍ HODNOTY VLIVŮ NA PŘIJÍMAČÍCH ......................................................................................... 72 HODNOCENÍ VLIVŮ ........................................................................................................................... 74 MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ LIMITU .............................................................................................................. 76 ANALÝZA KOLEJOVÝCH OBVODŮ PRO ČD Z HLEDISKA RUŠENÍ ........................................................ 77 OVĚŘOVÁNÍ VLIVŮ ........................................................................................................................... 79 ZÁVĚR K PROBLEMATICE RUŠENÍ ..................................................................................................... 80

MĚŘENÍ ................................................................................................................................................ 82 8.1 8.2 8.3

9

VLIV ZAKONČOVACÍCH IMPEDANCÍ .................................................................................................. 47 METODIKA SYNTÉZY A OPTIMALIZACE ............................................................................................. 49

RUŠIVÉ VLIVY .................................................................................................................................... 57 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8

8

VOLNÝ STAV .................................................................................................................................... 33 ŠUNTOVANÝ STAV ............................................................................................................................ 37 HAVARIJNÍ STAV .............................................................................................................................. 42 PŘENOS SIGNÁLU LVZ ..................................................................................................................... 44

SPECIÁLNÍ DRUHY KOLEJOVÝCH OBVODŮ............................................................................ 51 6.1 6.2 6.3 6.4

7

STYKOVÉ TRANSFORMÁTORY........................................................................................................... 31 OSTATNÍ PRVKY ............................................................................................................................... 32

SYNTÉZA .............................................................................................................................................. 47 5.1 5.2

6

ZDROJE............................................................................................................................................. 26 KOLEJOVÉ PŘIJÍMAČE ....................................................................................................................... 26

ANALÝZA ............................................................................................................................................. 33 4.1 4.2 4.3 4.4

5

PŘENOS SIGNÁLU VEDENÍM .............................................................................................................. 17 PARAMETRY KOLEJOVÉHO VEDENÍ ................................................................................................... 19 PŘENOS KOLEJOVÝM VEDENÍM S UVAŽOVÁNÍM ZEMĚ ...................................................................... 23 VLAKOVÝ ŠUNT................................................................................................................................ 24

VÝSTROJ .............................................................................................................................................. 26 3.1 3.2 3.3 3.4

4

VEDENÍ TRAKČNÍHO PROUDU ............................................................................................................. 7 OCHRANA PŘED VLIVY SOUSEDNÍCH OBVODŮ .................................................................................... 8 LOM KOLEJNICE................................................................................................................................ 10 KOLEJOVÉ OBVODY BEZ IZOLOVANÝCH STYKŮ ................................................................................ 11 OBVODY S TRAŤOVÝM MĚNIČEM ...................................................................................................... 13 OBVODY S VYSOKÝM FRITOVACÍM NAPĚTÍM .................................................................................... 14 TŘÍDĚNÍ ............................................................................................................................................ 16

MĚŘENÍ PARAMETRŮ KOLEJOVÉHO VEDENÍ ...................................................................................... 82 MĚŘENÍ IMPEDANCÍ .......................................................................................................................... 87 MĚŘENÍ FÁZE.................................................................................................................................... 87

PROJEKCE A ÚDRŽBA ..................................................................................................................... 89

3

ČÁST II. - BODOVÉ PROSTŘEDKY 10

SPECIFICKÉ APLIKACE KOLEJOVÝCH OBVODŮ ...............................................................90

11

DETEKTORY KOL ..........................................................................................................................92

11.1 11.2 12 12.1 12.2 13 13.1 13.2 13.3 14

MECHANICKÝ DETEKTOR ..................................................................................................................92 ELEKTRONICKÝ DETEKTOR ...............................................................................................................93 DETEKTORY VOZIDEL.................................................................................................................98 VOZIDLOVÁ SMYČKA ........................................................................................................................98 IDENTIFIKÁTOR VOZIDLA ..................................................................................................................99 POČÍTAČ NÁPRAV .......................................................................................................................100 ČÍTAČOVÉ POČÍTAČE NÁPRAV .........................................................................................................101 MIKROPROCESOROVÉ POČÍTAČE NÁPRAV .......................................................................................102 NOVÉ GENERACE POČÍTAČŮ NÁPRAV ..............................................................................................104 INDIKACE CELISTVOSTI VLAKU............................................................................................106

ČÁST III. - ZÁVĚR 15 15.1 15.2 16

4

ZÁVĚR..............................................................................................................................................107 SYSTÉMOVÁ POTŘEBA DETEKČNÍCH PROSTŘEDKŮ ..........................................................................107 VLASTNOSTI PROSTŘEDKŮ PRO ZJIŠŤOVÁNÍ VOLNOSTI ...................................................................108 LITERATURA .................................................................................................................................110

Část I. - Kolejové obvody 1

ÚČEL A POUŽITÍ KOLEJOVÝCH OBVODŮ

Na obr. 1-1 a 1-2 jsou zapojení dvou základních typů klasických kolejových obvodů. Každý kolejový obvod se skládá z kolejového vedení a k němu připojené výstroje. Kolejové vedení je tvořeno úsekem železničního svršku, u kterého kolejnicové pásy představují vodiče a izolaci nahrazují pražce a štěrk. Kolejnicové pásy jsou složeny z jednotlivých kolejnic (podle typu o délce většinou 15 - 25 m), které jsou spojeny buď svárem nebo kolejnicovými spojkami. Kolejnicové spojky (styky) jsou z hlediska elektrického odporu značně neurčité, protože jejich hlavní účel je pevné mechanické spojení sousedících kolejnic. Uvnitř kolejových obvodů se proto styky obvykle přemosťují vodivými stykovými propojkami. Na koncích klasického kolejového obvodu se běžné kolejnicové spojky nahrazují izolačními spojkami - izolovanými styky. Ty sice tvoří pevné mechanické spojení kolejnic kolejového obvodu s kolejnicemi sousedícími, ale elektricky je vzájemně izolují. Když kolejové vozidlo vjede do kolejového obvodu, Obr. 1-1 spojí oba kolejnicové pásy svými elektricky vodivými dvojkolími. Elektrický odpor dvojkolí a zejména přechodové odpory mezi koly a kolejnicemi nemusí být zanedbatelné vzhledem k ostatním odporům v kolejovém obvodu a proto se nehovoří o zkratování kolejnicových pasů, ale o šuntování. Výsledný elektrický odpor všech dvojkolí (včetně přechodových odporů kolo-kolejnice) vlaku v kolejovém obvodu se nazývá vlakový šunt. V kolejovém obvodu podle obr. 1-1 protéká kolejovým relé J pouze malý proud vlivem svodu mezi kolejnicovými pásy a relé nepřitahuje. Při šuntování kolejového obvodu vlakem proud v kolejovém relé stoupne a relé přitáhne. Při uvolnění kolejového obvodu, po výjezdu vlaku, proud v relé opět poklesne a relé odpadne. Tento typ kolejového obvodu se nazývá sériový kolejový obvod, protože jeho hlavní části - zdroj, přijímač (relé) a kolejové vedení (resp. vlakový šunt) - jsou řazeny v sérii. V kolejovém obvodu podle obr. 1-2 protéká proud ze zdroje kolejnicovými pásy do kolejového relé J a relé je přitažené. Když vlak kolejový obvod šuntuje, proud do relé se zmenší a relé odpadne. Tento typ kolejového obvodu se, analogicky k předchozímu, nazývá Obr. 1-2 paralelní kolejový obvod. Pro získání bezpečné informace o volnosti koleje je třeba, aby byl kolejový obvod konstruován tak, že ani při své poruše nebude obsazenou kolej hlásit jako volnou. Bude-li naopak při poruše volnou kolej hlásit jako obsazenou, může sice dojít k narušení provozu, ale nedojde k přímému ohrožení bezpečnosti, protože zabezpečovací zařízení cestu nepovolí. Rozborem poruch podle obvyklých zásad zabezpečovací techniky lze dovodit, že tomuto účelu v zásadě vyhovuje paralelní kolejový obvod podle obr. 1-2. Kolejový obvod přitom poskytuje informaci o volnosti kontinuálně, bez potřeby paměťového prvku a bez ohledu na způsob, jímž k obsazení či uvolnění koleje došlo (včetně například nasazení či sejmutí vozidla v kterémkoli místě). Při vybavení vlakové cesty (a obdobně i při anulaci přejezdového zařízení) je důležitá volba vhodného okamžiku, kdy k vybavení smí dojít. Předčasné zrušení závěru může vést k nehodě, protože důležité části vlakové cesty, např. výměny, přestanou být chráněny proti mylnému přestavení v době, kdy jízda vlaku ještě neskončila. Proto kolejový obvod použitý pro tento účel nesmí neoprávněně hlásit příjezd vlaku - obsazení kolejového obvodu - a tedy musí být konstruován tak, že ani při poruše nebude volnou kolej hlásit jako obsazenou. Bude-li naopak při poruše obsazenou kolej hlásit jako volnou, nedojde k ohrožení

5

bezpečnosti jízdy vlaku, ale po jízdě nebude možné např. přestavovat výměny. Opět lze dokázat, že tomuto účelu v zásadě lépe vyhovuje sériový kolejový obvod podle obr. 1-1. U modernějších zabezpečovacích zařízení se kolejové úseky pro zjišťování volnosti a kolejové úseky pro vybavování vlakové cesty překrývají. Pro takové případy má zabezpečovací technika hned tři možná řešení. První řešení spočívá ve využití navazujících paralelních kolejových obvodů a dvojicí nebo i trojicí obvodů určených pro zjišťování volnosti lze nahradit kolejový obvod, určený speciálně pro vybavení vlakové cesty. Je ovšem také možné konstruovat kolejový obvod, který bude na témže kolejovém vedení a při jednom napájení mít jeden výstup s vlastnostmi sériového obvodu a druhý výstup s vlastnostmi paralelního kolejového obvodu. Třetí řešení využívá možnosti superponovat druhý kolejový obvod na téže kolejové vedení při frekvenčním oddělení. Všechna tři řešení se také v praxi využívají. Podrobnosti o tom přesahují rámec této publikace a je třeba je hledat u popisů konkrétních zabezpečovacích systémů. Impulsní paralelní kolejové obvody (obr. 1-3) napájené přes periodicky spínaný spínač S využívají v porovnání se staticky pracujícími obvody výhodněji charakteristiku kolejových přijímačů (viz kapitola 3.2.). Kolejový přijímač J v tomto případě indikuje volný stav impulsní činností v rytmu spínače S, obě statické polohy přijímače indikují obsazení obvodu nebo poruchu. Pro použití do logických vazeb zabezpečovacího zařízení se zřizuje statický výstup kolejového obvodu J0 za pomoci reléového, kondensátorového nebo transformátorového dekodéru. Principy jejich činnosti jsou na obr. 1-4. Výstupní relé J0 bude přitaženo pouze tehdy, když kolejový přijímač J bude periodicky přitahovat a odpadat a to i při všech možných poruchách dekodéru. Obvykle mylně uváděná vysoká odolnost Obr. 1-3

Obr. 1-4 impulsních kolejových obvodů proti rušení je diskutována v kapitole 8. S ohledem na vysoké mechanické namáhání spínačů i přijímačů se kontaktní (reléové) verze těchto obvodů ani jejich dekodérů již delší dobu nezřizují a používají se elektronické verze. Kolejové obvody jsou schopny zprostředkovat přenos informace z tratě na vozidlo prostřednictvím signálního proudu kolejového obvodu. V takovém případě v kolejovém obvodu po vstupu vlaku přibývá další přijímač, přijímač vlakového zabezpečovače na vozidle, který je se signálním proudem kolejového obvodu vázán indukčně pomocí vozidlových snímačů umístěných na vozidle před první nápravou (obr. 1-5). Přijímač vlakového zabezpečovače JV se v kolejovém obvodu pohybuje (spolu s vlakem) směrem ke zdroji a jeho parametry musí být s parametry kolejového obvodu sladěny. Pro rozmnožení přenášených informací musí být signální proud kolejového obvodu vhodně kódován, např. použitím impulzního obvodu z obr. 1-3. Je evidentní, že místo stabilního cyklického spínání Obr. 1-5 kolejového obvodu lze aplikovat spínání kódované, například v závislosti na návěstním znaku návěstidla na konci prostorového oddílu, který kolejový obvod pokrývá. V zásadě je možné použít kterékoliv modulace - amplitudové, fázové, frekvenční - přičemž nositelem informace může být prostá frekvence klíčování nebo složitější sériový kód. Kód může být do kolejového obvodu vysílán

6

trvale, nebo dodatečně, až po obsazení kolejového obvodu vlakem. Druhý případ označujeme jako dodatečné kódování. Kromě uvedených ryze zabezpečovacích úloh lze kolejové obvody využít i pro další úkoly, které se zabezpečovacími systémy přímo nesouvisí. Kolejové obvody lze například uspořádat tak, aby byly schopny rozpoznat elektrické (a tím tedy i mechanické) přerušení kolejnice a tak vlastně napomoci v zajištění bezpečné kolejové dráhy pro kolejová vozidla. Kolejové obvody se s výhodou využívají na spádovištích, kde je jejich funkce zapojena přímo do procesu rozpouštění vlaků a v dalších, z hlediska bezpečnosti méně závažných, automatizačních procesech. Postupem let byla z obou základních typů kolejových obvodů odvozena celá škála kolejových obvodů, které akcentují tu či onu jejich stránku a přizpůsobují je určitému účelu. Pozornost se přitom zaměřuje zejména na: • dosažení co nejlepších technických parametrů, • možnost použití na elektrifikovaných tratích, • ochranu před vlivem sousedních kolejových obvodů, • ochranu před ostatními cizími vlivy, • odstranění izolovaných styků, • získání specifických vlastností pro zvláštní použití.

1.1

VEDENÍ TRAKČNÍHO PROUDU

Pro použití na elektrifikovaných tratích je nutné upravit kolejové obvody tak, aby nebránily průtoku trakčních proudů kolejnicemi. Na obr. 1-6 je kolejový obvod doplněn tzv. kosými propojkami. Ty umožňují vedení trakčního proudu kolejovým obvodem jednou kolejnicí (odtud název jednopásové kolejové obvody). Obvody jsou přitom jednopólově propojeny a tedy z hlediska vedení trakčního proudu Rn1 Rp1 Rn2 Rp2 by se zapojení podle obr. 1-7 jevilo logičtější a úspornější (polovina izolovaných styků). Přistupuje Tn1 Tp1 Tn2 Tp2 zde však problém kontroly styků, kvůli níž je, jak J1 J2 bude dále patrno, provedení z obr. 1-7 podmíněno U U použitím fázově citlivých přijímačů. Obr. 1-6 Rn1

Rp1 Rn2

Rp2

Za pomoci stykových transformátorů (nebo Tn1 Tp1 Tn2 Tp2 stykových tlumivek) lze uspořádat kolejový obvod J1 J2 tak, aby se na vedení zpětného trakčního proudu za Uk Um Uk Um ideálního stavu podílely obě kolejnice stejnou měrou. Princip takového dvoupásového kolejového Obr. 1-7 obvodu je na obr. 1-8, kde je průtok trakčního proudu vyznačen šipkami. Trakční proud protéká uvnitř kolejového obvodu oběma kolejnicemi stejným směrem od spotřebiče - lokomotivy zpět ke zdroji. Při stejné velikosti trakčního proudu v obou kolejnicích se na obou půlkách kolejového vinutí stykového transformátoru ST budou jejich účinky kompenzovat, takže nijak nepůsobí na doplňující (sekundární) vinutí, k nimž je připojena výstroj napájecího nebo reléového konce kolejového obvodu. Propojkami p mezi středy kolejových vinutí sousedících stykových transformátorů pak protéká souhrnný trakční proud do sousedního kolejového obvodu, kde se na stykovém transformátoru opět rozdělí do obou kolejnic. Toto uspořádání lze použít pro jakýkoliv trakční systém (stejnosměrný, střídavý), přičemž kolejové vinutí a magnetický obvod stykového transformátoru musí být na trakční proud patřičně Obr. 1-8 dimenzovány.

7

Na tratích bez elektrické trakce, ale s elektrickým vytápěním souprav, lze zřizovat tzv. částečně průtokové kolejové obvody. V takových případech totiž postačí zajistit průtok topného proudu pouze přes styky sousedních obvodů a není třeba zřizovat kontinuální propojení všech kolejových obvodů. Kosé propojky pak lze umístit "stejnolehle" podle obr. 1-9 a zabránit tak vzniku sítě propojených kolejnic. To, jak v Rn1 Rp1 Rn2 Rp2 dalším uvidíme, je výhodné z hlediska lomu Tn1 Tp1 Tn2 Tp2 koleje ale nevýhodné z hlediska rušení. Právě s J1 J2 ohledem na zhoršenou situaci při možných cizích vlivech se toto řešení připouští jen v Uk Um Uk Um případě fázově citlivých přijímačů a znamená ovšem (ve srovnání s řešením podle obr. 1-7) návrat k dvojnásobnému počtu izolovaných Obr. 1-9 styků.

1.2

OCHRANA PŘED VLIVY SOUSEDNÍCH OBVODŮ

Dojde-li poruchou ke zkratu izolovaného styku, změní se v kolejovém obvodu impedanční poměry a hrozí vniknutí signálu sousedního kolejového obvodu. Nebezpečí vniknutí signálu sousedního kolejového obvodu má různou váhu v závislosti na vlastnostech použitých přijímačů. U jednopásových kolejových obvodů s fázově necitlivým přijímačem podle obr. 1-6 je ochrana před vlivy sousedních kolejových obvodů (neboli kontrola izolovaných styků) založena na kosých propojkách hovoříme o ochraně pomocí výstroje v kolejišti. V případě poruchového elektrického propojení kteréhokoliv izolovaného styku bude alespoň jeden kolejový obvod kosou propojkou zkratován - nebezpečné ovlivnění přímo nehrozí a porucha se projeví. Problematičtější situace nastane v případě, že se kosá propojka přeruší a její přerušení zůstane nezpozorováno: při následném proražení styku ke zkratování nedojde. Situace bude lepší ve stanici, kde vlivem sítě trakčních kolejnic je impedance mezi koncovými body kosé propojky velmi nízká i při jejím přerušení (viz obr. 1-10). Určitého dalšího zlepšení se dosáhne, bude-li v sousedících obvodech vystřídána okamžitá fáze napájecího napětí - případné cizí napětí ze sousedního obvodu se bude od vlastního signálu odečítat, což za průměrných okolností postačí k projevení závady či zachování dostatečné šuntové citlivosti. V extrémních případech (např. styk krátkého a dlouhého kolejového úseku, sousedství napájecího a reléového konce) však při přerušení kosé propojky nebude bezpečnost obvodu zajištěna ani při této úpravě, protože i rozdíl napětí může být vyšší než napětí s kterým byl kolejový Obr. 1-10 obvod počítán a okolnost, že toto napětí má opačnou fázi kolejový přijímač není

8

schopen vyhodnotit. (Snad proto se u ČD toto opatření u jednopásových obvodů s fázově necitlivými přijímači nepoužívá.) Pokud bude kolejový obvod vybaven fázově citlivým přijímačem a v sousedících obvodech bude prostřídána orientace napětí, nemůže cizí signál ze sousedního obvodu způsobit nebezpečné ovlivnění. Toho se využívá zejména u dvoupásových kolejových obvodů s fázově citlivými přijímači (obr. 1-8) ale i u jednopásových obvodů podle obr. 1-7, kde pak může odpadnout kosá propojka a lze ušetřit polovinu izolovaných styků. Předpokladem je synchronní (synfázní) napájení kolejových obvodů. Praktické důvody často vedou k omezení synchronizace na jeden mezistaniční úsek nebo obvod jedné stanice. Aby byla zajištěna také kontrola styků na hranicích takto vytvořených celků, je účelné sousedící úseky napájet odlišnou frekvencí. Využije se tak, při vhodně zvolených signálních kmitočtech, přirozené vlastnosti fázově citlivých přijímačů, tj. kmitočtové selektivity. V případě ČD se u klasických kolejových obvodů ve stanicích využívá především kmitočtu 275 Hz a na tratích 75 Hz. V impulsních kolejových obvodech s fázově citlivými přijímači se pro kontrolu styků využívá vystřídání fáze v sousedících kolejových obvodech stejně jako u statických obvodů. Pokud přijímače nejsou fázově citlivé, používá se obvykle synchronizace napájecích impulsů v sousedících kolejových obvodech tak, aby nemohlo dojít k vzájemnému ovlivnění. Budou-li např. zřízena dvě časově posunutá pořadí impulzního napájení a dekodéry budou vyhodnocovat příjem signálu jen v době odpovídajícího pořadí (přičemž pořadí v sousedních obvodech budou zaměněna), lze rozlišit zda přijímač je buzen z vlastního pořadí (a tedy řádně napájen z vlastního kolejového obvodu) nebo zda je buzen druhým pořadím, tj. ze sousedního obvodu. Tyto způsoby ochran se souhrnně označují jako schematické a jejich konkrétní provedení se liší podle toho, zda jsou obvody soustředěny ve stanici nebo rozloženy podél trati. Realizace je spojena s řadou problémů, protože je nutné brát v úvahu časové parametry obvodů, zkreslení impulsů při přenosu, kódování pro přenos informace na vozidlo atd.

9

1.3

LOM KOLEJNICE

Schopnost kolejového obvodu indikovat závažné porušení jízdní cesty (pokud ovšem dojde k úplnému elektrickému přerušení kolejnice - např. odlomení pouze pojížděné hrany kolejnice samozřejmě elektrickou vodivost kolejnice téměř neovlivní) je bezesporu cennou vlastností kolejových obvodů v případě, že je kolejový obvod použit pro zjišťování volnosti jízdní cesty. V případě, že je paralelní kolejový obvod použit např. jako přibližovací úsek osamoceného přejezdu na širé trati jinak kolejovými obvody nevybavené, při registraci havarijního stavu se přejezd uzavře nadbytečně, protože vlak ve skutečnosti nejede a obvykle ani není k disposici prostředek jak vlaku sdělit, že elektricky (a tedy pravděpodobně i mechanicky) není jeho další cesta v pořádku. Zdálo by se, že v tomto případě je citlivost k lomu koleje (nebo-li havarijnímu stavu) zbytečná, ne-li dokonce závadná. Ovšem neregistrování havarijního stavu by při další možné poruše (např. druhé elektrické přerušení téže kolejnice téhož kolejového obvodu) mohlo vést k tomu, že v úseku mezi těmito dvěma lomy přestane být registrován i šunt. To už by bylo ve velmi vážném rozporu i s primárním účelem kolejového obvodu. Síť trakčních kolejnic ve stanicích s jednopásovými kolejovými obvody způsobuje, že přerušení trakční kolejnice nezmění příliš úroveň signálu v kolejovém obvodu. Tak například, když dojde k přerušení trakční kolejnice v koleji č.1 na obr. 1-10, nezmění se příliš úroveň signálu na kolejovém relé obvodu 1KO, protože trakční kolejnice ostatních kolejí jsou připojeny paralelně k přerušené kolejnici. V případě dalšího (druhého) lomu trakční kolejnice v koleji č.1 se pak v úseku mezi oběma lomy nemůže projevit ani účinek šuntu a tak kolejový obvod nebude ani šuntovat. Povšimněme si, že k paralelnímu propojení trakčních kolejí dochází jednak vlivem izolace na výhybkách a jednak tím, že se záměrně zřizují propojení m trakčních kolejnic na obou koncích staničních kolejí. Důvody budou diskutovány v části věnované rušení kolejových obvodů. Proto se u jednopásových kolejových obvodů v provedení podle obr. 1-10 zásadně s citlivostí k lomu koleje nepočítá a tak i bezpečné zachování citlivosti k šuntu je, podobně jako v případě kosých propojek, závislé na celkové úrovni poruchovosti, kvalitě (pozornosti) údržby a rychlosti odstraňování zjištěných závad. Přes uvedené nedostatky jsou jednopásové obvody široce užívány u řady železnic pro svou jednoduchost a relativně nízké náklady. Lze předpokládat, že i u ČD se budou nadále využívat zejména na vedlejších kolejištích. Předpokladem koexistence s dvoupásovými kolejovými obvody je ale vždy nalezení vhodného místa trakčního propojení soustavy jednopásových obvodů a soustavy dvoupásových obvodů tak, aby se vzájemně nepříznivě neovlivňovaly. Lepší z hlediska lomu koleje je situace u jednopásových částečně průtokových kolejových obvodů se stejnolehlými kosými propojkami podle obr. 1-7. V tomto případě se vlastně minimalizuje vliv do kolejového obvodu zavlečených vnějších zemních odporů a za určitých okolností pak lze dosáhnout i potřebné citlivosti k lomu koleje. Podobně předpokladem pro dosažení potřebné citlivosti dvoupasového kolejového obvodu k lomu koleje je dodržení určité minimální impedance středů stykových transformátorů vůči zemi. Podrobněji se těmito otázkami zabývá část 4.3.

10

1.4

KOLEJOVÉ OBVODY BEZ IZOLOVANÝCH STYKŮ

Problémy s údržbou izolovaných styků, nákladnost stykových transformátorů a možnost pokládky celosvařovaných kolejnic vedla ke konstrukci kolejových obvodů bez izolovaných styků. Na obr. 1-11 je nakreslen příklad neohraničeného obvodu s napájením uprostřed. Vlevo a vpravo můžeme předpokládat stejně uspořádané Ap An Ap sousední kolejové obvody s odlišným signálním kmitočtem. Z obrázku je zřejmé, že Zp Zt Zp vlakový šunt bude působit na neohraničený U, f1 kolejový obvod nejen v úseku kolejového vedení mezi přijímačem a vysílačem, ale i vně Obr. 1-11 obvodu. Přitom místo, kde přibližující se šunt způsobí změnu stavu obvodu (volno/obsazeno a naopak) bude proměnné zejména se změnou svodu kolejového vedení, skutečnou hodnotou vlakového šuntu a napájecího napětí obvodu. Rozdíly vzdálenosti dosahují řádově desítky metrů a tak tyto obvody vlastně znemožňují řádné umístění oddílového návěstidla. Proto se uplatnily pouze v traťových systémech bez návěstidel, kde se pro zabezpečení jízdy vlaku používá výhradně přenosu vlakového zabezpečovače. Nevýhodu neurčitého ohraničení funkce obvodu měly řešit obvody s vymezením funkční délky pomocí zkratovací propojky ZZ a s proudovým snímáním (obr. 1-12). Bude-li v takovém obvodu impedance ZZ = 0, šunt RS2 vně kolejového obvodu jistě poměry na přijímači neovlivní. Nezpůsobí však ani odpad přijímače do určité vzdálenosti xkrit, závislé na skutečném poměru RS1 a odporu smyčky kolejového vedení mezi šuntem a zkratovací propojkou ZZ. Zařazení impedance ZZ > 0 oblast xkrit zmenší, ale přítomnost druhého Obr. 1-12 vlaku vně obvodu (se šuntem RS2 = 0) vyvolá původní nepříznivou situaci.

Obr. 1-13 Výhodnější vymezení funkční délky kolejových obvodů bez izolovaných styků se podařilo až u kolejových obvodů ohraničených tzv. elektrickými styky. Příklady takových obvodů jsou na obr. 1-13 a 115. Na obr. 1-13 je schematicky naznačeno zapojení kolejového obvodu typu FTG S (Siemens), u něhož je elektrický styk vytvořen propojkou z měděného lana ve tvaru S mezi kolejnicemi a přídavnými resonančními prvky. S-lano a přídavné resonanční prvky realizují soustředěnou podélnou a příčnou impedanci ZSP a ZZP, jak je uvedeno v náhradním schématu na obr. 6-10. Vlastní výstroj napájecího a přijímacího konce může být od kolejového vedení vzdálena až 6,5 km. Její připojení k elektrickému styku je na obr. 114, kde Vf1 značí vysílač frekvence f1 a Pf2 značí přijímač frekvence f2. Vliv šuntu vně kolejového obvodu je takto uspořádaným elektrickým stykem omezen v podstatě pouze na úsek A-C, který (podle použité frekvence) činí 3,5-9,5 m. Signální proud o kmitočtu 4-6 kHz (pro tratě) nebo 8-17 kHz (pro stanice) je frekvenčně modulován, filtr a dekodér na přijímací straně je řešen z důvodů bezpečnosti s využitím dvou redundantních kanálů a komparace, signální kmitočty sousedních kolejových obvodů Obr. 1-14 jsou různé. Konstrukční délka obvodů určených pro tratě je max. 600 m při svodu 0,67 S/km, dvojnásobná při napěťovém napájení ze středu obvodu a přijímači v obou

11

elektrických stycích na koncích. Kolejový obvod má vysokou šuntovou citlivost (až 0,5 Ω) ale nezajišťuje kontrolu lomu kolejnic. Spotřeba představuje cca 90 VA. Obr. 1-15 ukazuje princip kolejového obvodu typu UM 71 od francouzské firmy CSEE. Elektrický styk je tvořen dvěma laděnými obvody LO a vzduchovou cívkou stykového transformátoru ST, která dovoluje vyrovnávání trakčních proudů mezi oběma kolejnicemi nebo i jeho přívod (odvod) ze středního vývodu. Elektrické schéma levého styku z obr. 1-15 je na obr. 1-16a. Na obr. 1-16b je pak náhradní schéma tohoto styku pro frekvenci f1, na obr. 1-16c pro frekvenci f2. Součástí jsou i podélné impedance částí kolejového vedení mezi připojením vyrovnávacího stykového transformátoru ST a laděnými obvody LO. Signální proud o kmitočtu 1,7-2,6 kHz je opět frekvenčně modulován. Tento obvod je zajímavý i tím, že u něj byla poprvé prakticky využita kompenzace útlumu kolejového vedení pomocí kondensátorů, umístěných v odstupu po 100 m podél kolejového obvodu. Kolejový obvod tak dosahuje konstrukční délky až 1500 m při svodu 0,4 S/km.

Obr. 1-15

Obr. 1-16 V obou uvedených případech byl přesah sousedících kolejových obvodů omezen na cca 10 m, což je v porovnání s NKO výrazné zlepšení, pro řadu systémů již přijatelné. Vývoj této kategorie kolejových obvodů pokračuje. Před jejich nasazováním do provozu je nutné zvláště důkladně zvažovat provozní i ekonomické parametry v porovnání s klasickými obvody. V současné době jsou to zejména ekonomické parametry, které výraznějšímu uplatnění těchto obvodů brání a to nejen u ČD. Nelze pominout dva originální domácí příspěvky k řešení kolejových obvodů bez izolovaných styků. Autorem obou je prof. Poupě a pod jeho vedením byly rozpracovány ve VŠDS v Žilině. První je tzv. translační kolejový obvod (TRAN), jehož princip je na obr. 1-17. Uvnitř prostorového oddílu, ohraničeného izolovanými styky, jsou zřízeny translační body A, B. V základním stavu je přijímač P připojený na vstupní straně prostorového oddílu K a je napájený statickým signálem z bodu A vysílačem V. Po vstupu vlaku odpadá přijímač P, k vysílači V se paralelně připojí Obr. 1-17 pomocný přijímač Pp a začíná fáze dodatečného kódování. Vysílač V počne do kolejí vysílat kódovaný signál pro vlakový zabezpečovač tak, jak je u ČD obvyklé i na klasických obvodech. Když se šunt přiblíží do bodu A, pomocný přijímač Pp odpadá a způsobí přepnutí paralelní kombinace V a Pp do bodu B, odkud pokračuje vysílání kódu vlakového zabezpečovače až do přiblížení šuntu k bodu B. Tehdy opět dojde k odpadu přijímače Pp a přepnutí vysílače V a přijímače Pp do bodu Z. Po odpadu přijímače Pp v bodě Z při přiblížení šuntu do bodu Z končí fáze kódování a počíná fáze kontroly volnosti kolejového obvodu. Vysílač V setrvává v konci kolejového obvodu (v bodě Z) a pokračuje ve vysílání kódu, ale pomocný přijímač Pp se přepne do bodu B.

12

Zde jeho přítah signalizuje, že již došlo k vyklizení úseku B-Z, což způsobí přepnutí vysílače V do bodu B a pomocného přijímače do bodu A. Přítah přijímače v bodě A signalizuje, že také úsek A-B je volný a v důsledku toho dojde k přepnutí vysílače V do bodu A (pomocný přijímač Pp zde jakožto ve své "konečné" setrvá). Za této situace opět dojde k přítahu přijímače P a ukončení kódování obdobně jako u kteréhokoliv jiného klasického kolejového obvodu. Zařízení se vrátilo do základního stavu - přijímač P hlásí volný úsek. Je možná řada dalších drobných variant umožňujících obousměrný provoz, hlídání vstupu do prostorového oddílu z nesprávného směru atd. Podstata translace zůstává zachována, počet translačních bodů není omezen, jejich vzdálenost se volí s ohledem na primární parametry kolejového vedení. Obvod byl u ČD překvapivě úspěšně provozován v 70. a 80. letech při svodu 10 S/km, signálu 50 Hz, vzdálenosti translačních bodů 0,3 km. Druhým řešením je tzv. nárazníkový kolejový obvod bez izolovaných styků (obr. 1-18). Obvod je napájen uprostřed, na koncích jsou instalovány "nárazníkové" zdroje N1, N2 a přes indukční snímače proudu, umístěné pod kolejnicemi, jsou připojeny fázově závislé přijímače P1 a P2. S přihlédnutím k obr. 1-12 představují nárazníkové zdroje velmi nízkou impedanci ZZ. Proudy IN a IU jsou voleny tak, že mají pod snímači S přibližně opačnou fázi. Ve volném stavu převažuje proud IU, který na přijímačích P vyvolává kladný moment (napětí), v šuntovaném stavu převažuje proud IN, který na přijímačích P vyvolává záporný moment (napětí). Je zřejmé, že velikost proudu IN by musela být bezpečným způsobem dohlížena. Obr. 1-18 Skutečné schéma je poněkud složitější, protože musí řešit i problém ovlivnění sousedními obvody atd. Konstrukční složitost a z ní plynoucí cena zařízení omezuje použitelnost obou těchto technicky velmi inspirativních a netradičních řešení zatím pouze do oblasti zvláštních situací, které nejsou zvládnutelné klasickými prostředky.

1.5

OBVODY S TRAŤOVÝM MĚNIČEM

Z kolejových obvodů se speciálními vlastnostmi dosáhly většího rozšíření kolejové obvody typu Westrak, vyznačující se tím, že mají kolejové relé na napájecím konci kolejového obvodu při zachování vlastností paralelních kolejových obvodů. Princip je naznačen na obr. 1-19. Z funkce a konstrukce tohoto kolejového obvodu vyplývají i další v literatuře používaná označení: obvod s dvojím přenosem nebo obvod s traťovým měničem. Není-li kolejový obvod obsazen vozidlem, vzniká na relé J, vlivem polovodivého prvku D (umístěného na druhém konci kolejového vedení), stejnosměrná složka napětí. Při šuntovaném kolejovém obvodu se stejnosměrná složka snižuje jak vlivem poklesu střídavého napájecího napětí na kolejovém vedení, tak vlivem "zastínění" usměrňovacího efektu diody D vlakovým šuntem. V některých uspořádáních, např. u samostatných přejezdů, lze tímto obvodem dosáhnout významných úspor kabelů. Určitou nevýhodou je, že obvod nedovoluje bez komplikací větší vzdálenost kolejového Obr. 1-19 přijímače od kolejiště. Komplikace nastávají i při použití na elektrizovaných tratích. ČD uvedeného principu využilo v transduktorových kolejových obvodech přejezdových zařízení typu VÚD. Možnosti tohoto typu kolejových obvodů zcela jistě nebyly ještě plně vyčerpány, přičemž „traťovým měničem“ zdaleka nemusí být jenom dioda.

13

1.6

OBVODY S VYSOKÝM FRITOVACÍM NAPĚTÍM

Obvody s vysokým fritovacím napětím jsou určeny k eliminaci problémů s přechodovými odpory styku kolo-kolejnice (podrobněji v části 2.4). Má-li být pro eliminaci problémů s přechodovými odpory na

RO

R1 C

k.o. R2

U (V)

100

50

t (ms)

0 0

2

Obr. 1-20

4

6

8

10

Obr. 1-21

kolejové vedení přivedeno napětí řádově desítek volt, je z důvodů energetické náročnosti i ochrany před nebezpečným dotykem jasné, že se tak může dít jen po časově výrazně omezenou dobu tak, aby se střední (efektivní) hodnoty udržely v přijatelných mezích. Princip jednoho z možných řešení vysílače je na obr. 120. Přes odpor R1 se ze stejnosměrného zdroje vyššího napětí po jistou dobu nabíjí kondensátor C, který se jednorázově vybije přes podstatně menší odpor R2 do kolejového obvodu na pokyn řídícího obvodu RO. Vybíjením kondenzátoru do kolejového obvodu (obecně poněkud komplikované struktury RL) dochází k přechodovému jevu, který obvykle, v závislosti na parametrech RLC, bude aperiodický. Na obr. 1-21 je příklad napětí mezi kolejovými pasy na napájecím konci volného kolejového obvodu způsobeného tímto jevem. Na přijímací straně kolejového obvodu je třeba selektivně (při splnění všech v zabezpečovací technice obvyklých požadavků) impuls vyhodnotit tak, aby bylo možné vyloučit nebezpečí ohrožení řádné funkce cizími vlivy, signály sousedních obvodů atd. V tomto směru se uplatnily dva principy. První spočívá v detekci, že se na přijímači objevuje napětí odpovídající úrovně pouze v okamžiku, kdy je na napájecím konci impuls skutečně vysílán. Tento princip uplatnily ČD v sériovém impulzním kolejovém obvodu SIKO (obr. 1-22), vyvinutém ve VÚŽ. Druhý, složitější princip, spočívá ve vyhodnocení úrovně i tvaru přijatého impulsu, pro nějž je za určitých okolností charakteristická výrazná odlišnost amplitudy kladné a záporné části impulsu (> 3:1), což se nezjistilo u žádného druhu rušení. Odděleně se tedy přijímá kladná a záporná části impulsu (obr. 1-23) a vyhodnocují se jak obě amplitudy, tak jejich rozdíl. Toto řešení bylo použito Obr. 1-22 u vysokonapěťového impulzního kolejového obvodu (HVITC) francouzské firmy Jeumont - Schneider (nyní GEC ALSTOM), rozšířeného prakticky v celé Evropě. Ochranu před vlivy stejných sousedních obvodů zajišťuje použití opačné polarity impulsu v sousedních obvodech. Přijímač byl vyřešen ve dvou verzích. První verze, klasická, využívá komparace obou polarit impulsu prostřednictvím magnetického obvodu speciálního přijímacího relé. Druhou verzí je elektronický přijímač RUTA (obr. 1-24). Na přijímací straně jsou impulsy vedeny (přes přizpůsobovací nebo stykový transformátor) do přijímací jednotky RUTA. V ní jsou ověřovány jednotlivé aspekty přijímaného signálu, jak je blokově znázorněno na obr. Sledovány jsou úrovně kladné části impulsu (U2), záporné části impulsu (U1) a jejich rozdíl (U3). Místo jedné hodnoty „přítahu“ tak pro přijímač RUTA existují hned tří hodnoty: U1 ≤ 5 V, U2 ≤ 15 V, U3 = U2 - U1 ≤ 10 V. Obdobně Obr. 1-23 hodnoty odpadu jsou: U10 ≥ 4,5 V, U20 ≥ 14 V, U30 ≥ 9,5 V. Úrovně jsou zjišťovány bezpečnými prahovými obvody, konstruovanými, stejně jako další části schématu, s pomocí hardwarových modulů SEOM, které jsou u SNCF používány i v jiných aplikacích. Dále je porovnána frekvence přicházejících impulsů s frekvencí nastavenou (tedy očekávanou) pomocí zvláštního

C

U+

C

U−

k.o.

14

digitálního komparátoru, kondenzátorového dekodéru a opět hladinového čidla. Logický součin všech těchto aspektů je pak k výstupnímu (běžnému neutrálnímu relé) veden přes časovací obvod stabilizující časové parametry kolejového obvodu. Charakteristickými parametry takto vytvořených obvodů je technická délka 1500 m při svodu kolejového lože 0,5 S/km, zaručené napětí mezi kolejovými pasy min. 30 V (pro obvody řádově délky stovek metrů až 100V), potřebný příkon 50 VA, šuntová citlivost 0,15 Ω, zaručená doba reakce při obsazení menší než 1s, při uvolnění větší než 2s. Existuje také verze bez izolovaných styků, která pokrývá délku cca 150 m. Pro provoz u ČD byly ve VÚŽ, za spolupráce s výrobcem, navrženy a schváleny obvody KO7101/7102, které při svodu 0,67 S/km mají technickou délku 400/1000 m, fritovací napětí 60/50 V a šuntovou citlivost 0,5/0,25 Ω. O účinnosti obvodů s vysokým fritovacím napětí se ČD sice přesvědčily provozováním kolejových obvodů SIKO - za celou dobu jejich provozu nebyl zaznamenán praktický případ, kdy by přechodový odpor kolo-kolejnice znemožnil jeho řádnou funkci (mohou tedy odpadnout všechna obvyklá přídavná opatření pro bezpečné zachycení šuntu), ale doposud toho dostatečně pro řešení problému šuntu na zkorodovaných kolejnicích nevyužívají.

Vstupní transformátor

Usměrnění Filtrace Kontrola periody impulsu

Usměrnění Filtrace U2 - U1

U2 Prahový obvod

Prahový obvod

U1 Prahový obvod

Logický součin

Zpožděný přítah Zesilovač

Výstupní relé

Obr. 1-24

15

1.7

TŘÍDĚNÍ

Roztřídění kolejových obvodů podle různých hledisek dobře ukazuje mnohotvárnost a rozmanitost kolejových obvodů, jejich přizpůsobivost různým požadavkům. Kolejové obvody lze třídit podle: a) způsobu zapojení: • paralelní, • sériové, b) geometrického uspořádání: • přímé, • rozvětvené: • se sériovým zapojením větví, • s paralelním zapojením větví: • s volnými konci (bez výstroje odbočné větve), • se všemi konci vybavenými přijímačem, • s výstrojí bez přijímače, c) ohraničení: • ohraničené (jednostranně, oboustranně): • izolovanými styky (klasické kolejové obvody), • elektrickými styky, • neohraničené, d) způsobu ochrany před vlivem sousedících kolejových obvodů: • pomocí výstroje v kolejišti (např. kosé propojky), • fázová (resp. polaritní při stejnosměrném napájení), • frekvenční, • schematická, e) způsobu vedení zpětného trakčního (topného, pomocného) proudu: • dvoupásové, • jednopásové, • částečně průtokové, • neprůtokové, f) druhu signálního proudu: • stejnosměrný, • střídavý, • dvojí přenos, • superponovaný, g) způsobu napájení: • nepřerušované (statické), • impulsní, • kódované, h) způsobu přenosu signálu LVZ: • trvalý přenos, • dodatečný přenos, i) způsobu snímání signálu: • napěťové, • proudové.

16

2 2.1

KOLEJOVÉ VEDENÍ PŘENOS SIGNÁLU VEDENÍM

Pro úplnost stručně připomeňme odvození rovnic pro přenos střídavých proudů homogenním vedením při ustáleném stavu. Uvažujme proud a napětí v elementu homogenního vedení s měrným smyčkovým odporem R, měrnou indukčností smyčky L, měrnou vodivostí G a měrnou kapacitou C podle obr. 2-1. Je-li na vstupu elementu napětí Ux a proud Ix , na výstupu bude napětí Ux - dUx a proud Ix - dIx . Pro Obr. 2-1 úbytek napětí na sériovém odporu a indukčnosti a pro úbytek proudu vlivem svodu G a kapacity C lze napsat:

− d U x = I x ( Rdx+ jω Ldx)

(2-1)

− d I x = U x (Gdx+ jω Cdx)

(2-2)

Derivací rovnice (2-1) podle x a dosazením za první derivaci proudu z rovnice (2-2) dostaneme po úpravě

d2U x − γ 2U x = 0 , 2 dx kde

(2-3)

γ = (R + jωL)(G + jωC) .

Obdobně pro proud platí

d2Ix − γ 2Ix = 0 2 dx

(2-4)

Řešením diferenciálních rovnic druhého řádu (2-3) a (2-4) jsou

U x = c 1 ⋅ e γx + c 2 ⋅ e − γx

(2-5)

I x = c 3 ⋅ e γx + c 4 ⋅ e − γx

(2-6)

Dosazením vztahů (2-5) a (2-6) do rovnice (2-1) a porovnáním koeficientů při stejných exponenciálních funkcích dostaneme

c3 =

− γ ⋅ c1 R + jωL

c4 =

γ ⋅ c1 R + jωL

(2-7)

Konstanty c1 a c2 určíme z okrajových podmínek. Je-li na počátku vedení (x = 0) napětí U1 a proud I1, pak z rovnice (2-5) a (2-6) s použitím vztahů (2-7) plyne

U 1 = c1 + c 2

I1 = c3 + c4 =

(2-8)

c 2 − c1 , Z0

(2-9)

17

kde

Z0 =

R + jωL . G + jωC

Z rovnic (2-8) a (2-9) stanovíme

c1 =

U1 − Z 0I1 2

c2 =

U1 + Z 0I1 2

(2-10)

a po dosazení vztahů (2-7) a (2-10) do (2-5) a (2-6) získáme rovnice popisující napětí a proud na vedení ve vzdálenosti x od napájení

1 1 ( U 1 − Z 0 I 1 ) e γx + ( U 1 + Z 0 I 1 ) e − γx 2 2 U U 1 1 I x = ( I 1 − 1 ) e γx + ( I 1 + 1 ) e − γx 2 2 Z0 Z0 Ux =

(2-11) (2-12)

Rovnice (2-11) a (2-12) lze při zavedení hyperbolických funkcí komplexního argumentu γ.x

e γx + e − γx 2 γx e − e − γx sinh γx = 2 cosh γx =

upravit do tvaru

(2-13) (2-14)

U x = U 1 cosh γx − I1Z 0 sinh γx U I x = − 1 sinh γx + I1 cosh γx Z0

(2-15) (2-16)

Ve vzdálenosti l od napájecího konce bude velikost napětí a proudu

U 2 = U 1 cosh γl − I1Z 0 sinh γl U I 2 = − 1 sinh γl + I1 cosh γl Z0

(2-17) (2-18)

Rovnice (2-17) a (2-18) jsou přenosovými rovnicemi, vyjadřujícími závislost výstupních veličin na vstupních veličinách symetrického pasivního dvojbranu homogenního vedení. Maticový zápis těchto rovnic má tvar

⎡ cosh γl ⎡U 2 ⎤ ⎢ ⎢ I ⎥ = ⎢ − sinh γl ⎣ 2⎦ ⎣ Z0

− Z 0 sinh γl⎤ U ⎥ × ⎡ 1⎤ cosh γl ⎥ ⎢⎣ I1 ⎥⎦ ⎦

(2-19)

Při výpočtech v kolejových obvodech se častěji setkáváme s vyjadřováním vstupních hodnot v závislosti na hodnotách výstupních. Tím se dostáváme ke kaskádní matici dvojbranu A kolejového vedení (viz obr. 2-2), která je ke zpětně kaskádní matici z výrazu (2-19) inverzní. Platí

⎡cosh γl Z 0 sinh γl⎤ U ⎡U 1 ⎤ ⎢ ⎥ × ⎡ 2⎤ ⎢ I ⎥ = ⎢ sinh γl cosh γl ⎥ ⎢⎣ I 2 ⎥⎦ ⎣ 1⎦ Z 0 ⎦ ⎣ Obr. 2-2

18

(2-20)

nebo v rozepsaném tvaru

U 1 = U 2 cosh γl + I 2 Z 0 sinh γl U I1 = 2 sinh γl + I 2 cosh γl . Z0

(2-21) (2-22)

Při použití symbolických prvků kaskádní matice lze psát

U 1 = A 11U 2 + A 12 I 2 I 1 = A 21U 2 + A 22 I 2

(2-23) (2-24)

a protože jde nepochybně o dvojbran souměrný (dostatečnou podmínkou souměrnosti je geometrická souměrnost dvojbranu), budou v něm platit podmínky souměrnosti A 11 = A 22 (2-25)

A = A 11 A 22 − A 12 A 21 = 1

(2-26)

což je v maticích (2-19), (2-20) skutečně splněno. U kolejových vedení se obvykle zavádí souhrnné označení z pro měrnou podélnou impedanci a y pro měrnou příčnou admitanci (obr. 2-4a). Pak platí

z = R + jωL

y = G + jωC

a tedy

γ = z⋅ y

Z0 =

z . y

(2-27)

Pozn.: Na obr. 2-3 je znázorněna orientace proudů tak, jak se od roku 1967 uvažuje podle IEC běžně ve sdělovací technice po vedení. V kolejových obvodech je výstupní proud z dvojbranu vedení obvykle vstupním proudem pro dvojbran přijímacího konce, napětí mezi kolejnicemi se obvykle plynule snižuje, zátěž bývá (alespoň pro sledovaný kmitočet) pasivní. Z těchto praktických důvodů se teorie kolejových obvodů změně nepřizpůsobila a zůstala u orientace původní. K tomu je nutné přihlédnout při studiu literatury a přebírání vztahů ze sdělovací techniky.

2.2

Obr. 2-3

PARAMETRY KOLEJOVÉHO VEDENÍ

V předchozím oddílu jsou uvedeny instrumenty, které odpovídají dvoudrátovému vedení. Reálné kolejové vedení je ale ve skutečnosti složeno ze tří vedení, která se vzájemně ovlivňují: • první kolejnice - zem, • druhá kolejnice - zem, • první kolejnice - druhá kolejnice. Měření parametrů jednotlivých vedení není vzhledem k vzájemnému ovlivňování přímo možné. Pro jejich stanovení je nutná konfrontace teoretického odvození s výsledky částečných měření.

19

2.2.1 Podélná impedance vedení kolejnice-zem Podélná impedance je složena z činného odporu vedení a vlastní indukčnosti vedení. Vlastní indukčnost je pak složena z vnitřní a vnější indukčnosti. Činný odpor a vnitřní indukčnost se výrazně mění v závislosti na frekvenci protékajícího proudu a to vzhledem k měnícímu se rozložení proudu v průřezu vodiče (tj. kolejnice) následkem povrchového jevu. Vnější indukčnost se mění v závislosti na parametrech ovlivňujících magnetický tok vně vodiče. Je tedy jedna část podélné impedance příslušná vodiči a nezávislá na konfiguraci vedení a druhá část s konfigurací vedení přímo souvisí. Při uvažování více vzájemně se ovlivňujících vedení je třeba do podélné impedance zahrnout i vzájemnou impedanci těchto vedení. Všemi těmito problémy se podrobně zabývají různé části teorie vedení. Proto v tomto místě, s odkazem na příslušnou literaturu, uvádíme jen potřebné vztahy. Pro činný odpor jednotlivého kruhového vodiče Ri a vnitřní indukčnost Li se uvádí vztah

R i = ωL i = kde

ρ r f

10 −3 2⋅r

ρ ⋅μ ⋅μo ⋅ f π

[Ω/m],

je měrný stejnosměrný odpor vodiče [Ω.mm2/m], je poloměr vodiče [m], je kmitočet [Hz].

Platnost vztahu je ale omezena na kruhový průřez. Nahradíme-li kolejnici ekvivalentním kruhovým vodičem, který bude mít stejný průřez jako kolejnice, bude jeho obvod ve srovnání s kolejnicí méně než poloviční. To by zejména při vyšších kmitočtech vedlo k velké chybě právě s ohledem na povrchový jev. Proto se doporučuje jako vhodnější stanovit poloměr ekvivalentního vodiče ze srovnání obvodů průřezu. Pro činný odpor pak platí

10−3 Ri = ρ ⋅ μ ⋅ μo ⋅ π ⋅ f o kde

o

[Ω/m],

je obvod průřezu kolejnice [m].

Důsledkem ovšem bude v oblasti nižších kmitočtů poněkud menší vypočtená hodnota reálné složky podélné impedance ve srovnání se skutečnou. Vlastní indukčnost smyčky kolejnice-zem lze určit dle prací Pollaczka [6] ze vztahu

(

)

π⎤ ⎡ L = ⎢12,981 − 2 ⋅ ln r σ ⋅ f − j ⎥ ⋅ 10−7 2⎦ ⎣ kde

r σ f

[H/m],

je poloměr vodiče [m], je měrná vodivost půdy [S/m], je kmitočet [Hz].

Tento výraz obsahuje jak vnitřní, tak vnější indukčnost a navíc respektuje i ztráty v zemi. Celková podélná impedance smyčky kolejnice zem pak, při důsledném převodu poloměru vodiče na obvod průřezu kolejnice, bude

⎛ ⎞ ⎛ 10−3 o σf ⎞ Z KZ = R i + jωL = ⎜ ρμμ o πf + π 2 f ⋅ 10−7 ⎟ + j ⋅ 2πf ⎜ 12,981 − 2 ⋅ ln ⎟ ⋅ 10−7 [Ω/m], π 2 ⎠ ⎝ o ⎠ ⎝ Použijeme-li výše uvedený vztah např. k výpočtu podélné impedance kolejnice typu S49 při kmitočtu 75 Hz, bude o = 0,62 m, ρ = 0,21 S/m, μ = 100, μ0 = 4π.10-7 H/m a tedy pro σ = 0,1 S/m ............ ZKZ = 0,76∠74,7° Ω/km, σ = 0,001 S/m ........ ZKZ = 0,97∠78,1° Ω/km. V této souvislosti uveďme ještě úvahu o velikosti podélné impedance smyčky tvořené dvěma paralelně spojenými kolejnicemi a zemí (tak lze totiž nahradit část kolejiště, přivedenou z vnějšku kolejového vedení do středu stykového transformátoru). Pokud se proud rozdělí do obou kolejnic stejným dílem a bude protékat stejným směrem, změní se v předchozím příkladě pouze velikost obvodu kolejnice na dvojnásobek. Výsledná podélná impedance takového vedení pak bude pro σ = 0,1 S/m ........... ZKZP = 0,68∠78,4° Ω/km,

20

pro σ = 0,001 S/m ....... ZKZP = 0,90∠81,2° Ω/km. (Impedance Z0KZP na obr. 2-4 je pak vlnová impedance takového vedení.) 2.2.2 Podélná impedance vedení kolejnice-kolejnice Uvažujeme-li smyčku vedení kolejnice-kolejnice, bude podélná impedance tvořena vnitřní impedancí každé kolejnice, k nimž přibude vnější složka vlastní indukčnosti vedení. Ta bude dána konfigurací vedení. Pro smyčku dvojitého vedení souměrného k zemi a nacházejícího se v homogenním a isotropním prostředí platí

Le = kde

a r f

je vzdálenost vodičů [m], je poloměr vodiče [m], je kmitočet [Hz].

μ ⋅μo a−r ⋅ ln [H/m], π r

Odvodíme-li poloměr vodiče opět z obvodu průřezu, a ≅ 1,5 m, μ = 1 (platí přibližně jak pro vzduch, tak pro běžnou zem), μ0 = 4π.10-7 H/m, bude

L e = 0,4 ⋅ ln

3π − o ⋅ 10 −6 o

[H/m]

a pro podélnou impedanci smyčky kolejnice-kolejnice pak můžeme psát

Z KK = 2R i + jω( 2Li + Le )

[Ω/m].

Po vyčíslení Le a dosazení za Ri a Li z předchozího odstavce dostaneme pro kolejnici S49 a frekvenci 75 Hz ZKK = 0,80∠71,4° Ω/km. Jak patrno z příkladu, v oblasti nyní provozovaných kmitočtů se hodnoty ZKZP , ZKZ a ZKK budou mezi sebou jen málo lišit (což potvrdila i praktická měření), ačkoliv by se na první pohled mohl zdát logičtější poměr mezi nimi 1:2:4. U ČD byly teoretické rozbory před časem doplněny rozsáhlejším měřením a na tomto základě byly stanoveny mezní hodnoty podélných impedancí pro smyčku kolejnice-kolejnice, viz tab. 2-1. Respektovány přitom byly všechny typy svršku od S49 po R65, běžně užívané druhy elektrického propojení jednotlivých kolejnic (svařené kolejnice, měděné přivařované propojky a kombinace obou), což vedlo k stanovení určitého rozpětí (minimálních a maximálních hodnot) pro kmitočty do hodnoty cca 1000 Hz, kde již rozdíly uvedených vlivů nebyly patrné. Tab. 2-1

f [Hz] 25 50 75 125 175 225 275 325 375 700

zmin [Ω/km] 0,34 ∠63° 0,60 ∠68° 0,84 ∠71° 1,30 ∠73° 1,75 ∠75° 2,20 ∠76° 2,60 ∠77° 3,10 ∠78° 3,50 ∠78° 6,40 ∠80°

zmax [Ω/km] 0,40 ∠58° 0,70 ∠65° 0,94 ∠68° 1,45 ∠72° 1,95 ∠74° 2,40 ∠75° 2,85 ∠76° 3,30 ∠77° 3,75 ∠77,5° 6,70∠80°

f [Hz]

z [Ω/km]

1000 2500 5000 10000 20000 30000

9,3 ∠81,5° 22 ∠83,5° 43 ∠85° 85 ∠85° 168 ∠86° 247 ∠86°

21

2.2.3 Svod Při respektování systému dvou kolejnic a země je svod složen ze tří částí, jak je naznačeno na obr. 2-4b. Svod v kolejovém vedení je ve srovnání s jinými sdělovacími vedeními charakterizován výrazně vyššími hodnotami, které jsou navíc s vlhkostí, teplotou okolí a obecně znečištěním kolejového lože proměnné ve velkém rozsahu. Svodový trojúhelník y1, y2 ,y12 dobře respektuje jednak svod kolejnic k zemi, jednak svod mezi kolejnicemi navzájem. Přímý svod mezi kolejnicemi je reprezentován v podstatě vodivostí pražců, která je dána jednak nedokonalými izolačními vlastnostmi použitého materiálu, jednak povrchovou vodivostí pražců. Pro obvykle užívaný dvojbran kolejového vedení (viz obr. 2-4a) pak platí, že

y=

y1 ⋅ y 2 + y 12 . y1 + y 2

Podíl jednotlivých částí svodového trojúhelníku je možné hodnotit koeficientem vodivosti p

p=

y y1 + y 2 y 12 , což pro y 1 = y 2 má tvar p = 12 . 2 ⋅ y1 ⋅ y 2 y1

Měření v podmínkách ČD prokázala, že u dřevěných pražců se hodnota koeficientu p pohybuje (v oblasti kritických svodů z hlediska havarijního stavu, kde se koeficient p prakticky uplatní) obvykle mezi hodnotami 0,3 a 0,4 (zahraniční literatura uvádí až hodnotu 0,18). U betonových pražců se obvykle dosahuje hodnot 1,0 - 2,0 (zahraniční literatura uvádí až hodnotu 9,1), ale u nové pokládky nebo, logicky, naopak při silném znečištění lože se tato hodnota pohybuje cca mezi 0,25 - 0,5. Hodnoty p < 1 ukazují, že převažuje vliv vodivosti kolejnice-zem nad vlivem vodivosti kolejnice-kolejnice, což je zvláště nepříznivé pro rozpoznání havarijního stavu. Celkově výsledky zjištěné při měření svodu na ČD ukazují, že z hlediska izolačních vlastností betonové pražce stále ještě nedosahují kvality pražců bukových, což v zahraničí již dávno není obvyklé. Je třeba připomenout, že výsledné izolační vlastnosti kolejového lože s betonovými pražci mohou výrazně ovlivnit i závady jednotlivých drobných částí výstroje pražce (hmoždinky, pružná podložka pod patou kolejnice atd.) ale také technologická nekázeň při výrobě pražců. V souvislosti se svodem se občas diskutuje o jeho charakteru - zda jeho charakter je čistě reálný, nebo zda (a v jaké míře) se uplatňuje i kapacitní složka, tak jako u jiných vedení. Po pravdě je třeba říci, že v této oblasti nejsou naše ani zahraniční poznatky dostatečné. Lze předpokládat, že velikost kapacitní složky bude závislá na signálním kmitočtu a momentální velikosti reálné složky svodu, přičemž na vlastnostech kolejového obvodu se bude podílet výrazněji při vyšších signálních kmitočtech a při nižších hodnotách reálného svodu, tj. u kvalitních kolejových ložích. K objasnění těchto závislostí by bylo třeba získat statisticky významný soubor výsledků měření, která jsou však právě v této oblasti příliš náročná jak na měřící vybavení, tak na vyvolaná provozní omezení. Proto zatím nebylo možné takový soubor získat. Z prozatímních našich měření se jeví, že u betonových pražců lze uvažovat s kapacitou řádově stovek μF v oblasti stovek Hz a desítek μF v oblasti jednotek kHz. U dřevěných pražců byly zaznamenány hodnoty o řád nižší. Vliv kapacitní složky pak může být významný již pro signální kmitočty řádu stovek Hz, přičemž tento vliv nemusí být nutně negativní (viz obr. 5-2). Maximální hodnota svodu, s níž je třeba počítat při konstrukci kolejového obvodu, zcela zásadně předurčuje budoucí vlastnosti obvodu, zejména šuntovou citlivost, potřebný příkon a dosažitelnou technickou délku. Je ověřenou skutečností, že bezpečně a slušnou rychlostí mohou jezdit vlaky pouze při kvalitním svršku, u něhož není problém dosáhnout hodnot maximálního svodu pod 0,4 S/km. Pro takový svod pak lze také navrhnout kvalitní kolejový obvod. ČD měli až do roku 1995 normovanou maximální hodnotu svodu 1 S/km, od vydání nového Stavebního a technického řádu, je normována hodnota 0,66 S/km, což ale neznamená, že této nové hodnotě nyní odpovídá stav kolejiště v celé síti. Proto jsou nadále zatím uplatňovány regulační tabulky, které respektují svod 1 S/km. Předběžné propočty ale ukazují, že přizpůsobení regulačních tabulek nové normě by znamenalo pro většinu kvalitně navržených existujících obvodů zajištění šuntové citlivosti 0,1 Ω (místo dnešní 0,06 Ω), snížení spotřeby kolejových obvodů až o 50 % a prodloužení technické délky kolejových obvodů např. z hodnot kolem 1,5 km na 1,8 km. To jsou takové přínosy, které by ČD neměly nadále pomíjet zvláště proto, že jsou dosažitelné prostým zavedením pořádku.

22

2.3

PŘENOS KOLEJOVÝM VEDENÍM S UVAŽOVÁNÍM ZEMĚ

Zjednodušení na dvouvodičové vedení nebude pro řešení volného a šuntovaného stavu na závadu, pokud kolejový obvod bude proti zemi symetrický a pokud se jeho parametry získají měřením reálného obvodu. Nepřesnost zjednodušení by se ale výrazně uplatnila při rozboru havarijního stavu, pokud ke vstupním a výstupním svorkám nesymetrického kolejového vedení budou připojeny další elektrické obvody také obsahující zem. K tomu u reálných kolejových obvodů skutečně dochází, zejména z potřeby převést kolejovým vedením také trakční proud. Tedy místo uvažování elementu vedení ve tvaru na obr. 2-4a, je minimálně pro havarijní stav třeba uvažovat element podle obr. 2-4b a to i s připojením vnějších obvodů. Na obrázku je naznačeno připojení stykovým transformátorem ST do dvoupasového kolejového obvodu (transformátor je uvažován jako ideální, jeho reálné charakteristiky jsou zahrnuty až ve výstroji) na

Obr. 2-4 napájecím a přijímačovém konci. Pro element z obr. 2-4b není problém v sestavení rovnic a jejich řešení (proces je konečně obdobný jako v části 2.1) a lze je najít např. v [5]. Problém však je, jak jsme již konstatovali, v určení jednotlivých parametrů struktury. Ve volném a v šuntovaném stavu by takové řešení mělo reálný význam jen pro sledování obchozích cest a tedy galvanického vzájemného vlivu kolejových obvodů. Obchozí cesty jsou však vlivem ukolejňování tak mnohotvárné, že by výpočet fiktivních poměrů byl pouhým akademizmem. Poněkud jiná je situace u havarijního stavu, kde zejména vliv struktur vně kolejových obvodů (obsahujících spojení se zemí) nelze v žádném případě zanedbat, chceme-li získat výsledky odpovídající skutečnosti. Proto v tomto případě akceptujeme některá ne zcela oprávněná zjednodušení a z ruské odborné literatury, která se tradičně havarijním stavem podrobně zabývá, přebíráme pro praxi klasických kolejových obvodů vyhovující zjednodušené řešení. To předpokládá (až na lom) ostatní části obvodu vůči zemi symetrické a za kritické považuje umístění lomu v polovině kolejového obvodu. Prvky kaskádní matice pro havarijní čtyřpól se pak uvažují ve tvaru [10] :

A h11 = A h 22 = cosh ( γl) h +

1 H 1 + 2 p ⋅ sinh ( γl) h ⋅ (S1 + S1 ) 2

A h21 =

z⋅ l ( γl) h

1 ⎧ ⎫ ⎨sinh ( γl) h + H 1 + 2 p ⋅ [cosh ( γl) h + 1] ⋅ (S1 + S1 ) ⎬ 2 ⎩ ⎭

A h21 =

( γl) h z⋅ l

1 ⎧ ⎫ ⎨ sinh ( γl) h + H 1 + 2p ⋅ [ cosh ( γl) h − 1] ⋅ (S1 + S1 ) ⎬ , 2 ⎩ ⎭

(2-28)

kde

H = 1+ (γl)h

4 ⋅ j ⋅ ω ⋅ M 12 , z

je míra přenosu při hodnotě vodivosti kritické z hlediska havarijního stavu,

23

S 1, S 2

respektují způsob ukončení kolejového obvodu na přijímací (S1) a napájecí straně (S2). Při stykových transformátorech tyto koeficienty nabývají hodnotu 1, není-li stykový transformátor, pak příslušné

M12

⎡ 1 ⎤ S = cotgh⎢( γl) h ⋅ H ⋅ ⎥, 4 + 8p ⎦ ⎣

je vzájemná indukčnost mezi kolejnicemi.

Problematika úplného popsání kolejového obvodu s uvážením země není tedy dosud u ČD uspokojivě uzavřena. Její dopracování vyžaduje experimenty, na něž zatím nebyl ani čas, ani prostředky.

2.4

VLAKOVÝ ŠUNT

Přítomnost vlaku v kolejovém obvodu se projevuje vodivým propojením kolejnicových pasů. Tato vodivá cesta je tvořena vlastní konstrukcí železničního dvojkolí a přechodovými odpory mezi kolem a kolejnicí. Odpor jednotlivých částí klasických dvojkolí je vzhledem k jejich značným průřezům malý. Ojediněle ale byly v železničním provozu zaznamenány zvýšené hodnoty přechodového odporu mezi diskem a obručí kola. Protože se má zato, že k této anomálii dochází porušením technologie při výrobě, jsou všechna nová či rekonstruovaná dvojkolí povinně podrobována kontrolnímu měření a do provozu jsou připuštěny jen nápravy s maximálním stejnosměrným odporem 1. 10-2 Ω. Měření samotné nápravy ukazují, že zatímco při stejnosměrném proudu a nízkých frekvencích je odpor menší než 1. 10-3 Ω, při vyšších frekvencích lineárně stoupá, takže při frekvenci 3000 Hz činí cca 2. 10-2 Ω. Situaci komplikují některé nové konstrukce dvojkolí (použití nevodivých pružících nebo tlumících prvků, konstrukce se samostatně zavěšenými koly). Jejich použití v provozu musí být posuzováno velmi obezřetně i z hlediska vodivosti a případ od případu je nutné stanovit vhodná opatření k jejímu zachování. Hodnoty přechodového odporu mezi kolem a kolejnicí se pohybují ve značném rozpětí. Zatímco u kovově čistých povrchů kola i kolejnice dosahují velikosti řádu 10-3 Ω, u povrchů znečištěných prudce narůstají a stávají se dominantní složkou celého vlakového šuntu. Nejběžnější příčinou znečištění povrchů je koroze, na jejíž vznik a časový průběh mají podpůrný vliv zejména vlhkost (kyselé deště, mžení, kondenzace mlhy i rosa) a teplota. Na čištění povrchu kolejnice má kladný účinek samozřejmě jízda vozidel (zejména rozjezd, brzdění a jízda v oblouku). Čistící efekt je naopak nejmenší u jízd samostatných lehkých vozidel (obzvláště v přímé části tratě a při jízdě výběhem) nebo při dlouhých prodlevách mezi vlaky. Pro čištění povrchu kol má nejlepší účinek klasická pneumatická konstrukce brzdy přitlačující při brzdění litinové brzdové špalky k oběžné ploše kola. Naopak problémy se mohou vyskytovat u vozidel s diskovými brzdami, kde je povrch kol po delší jízdě na zkorodovaných kolejnicích znečištěn tak, že byly zaznamenány nejen zvýšené přechodové odpory, ale i výrazné změny adhezního součinitele, což má vliv na brzdnou dráhu. Dlouhodobé zkušenosti vedly železniční správy ke stanovení minimální reálné normované hodnoty vlakového šuntu 0,06 Ω pro kolejové obvody se svodem cca 1 S/km. Na hodnotě vlakového šuntu se obvykle podílí všechny nápravy ve vlaku (vlastně paralelně zapojené, ale včetně i přechodových odporů kolo-kolejnice). V některých případech je ale třeba reagovat na jedno jediné dvojkolí, např. u výhybkových kolejových obvodů, které mají zajišťovat kontrolu průjezdného profilu u námezníků nebo u kolejových obvodů na spádovišti, které zajišťují spolehlivý průjezd jednotlivých vozů přes výměny pod svážným pahrbkem. Dosažení této mezní hodnoty i za těchto okolností se však zejména v poslední době ukazuje jako poněkud problematické, obzvláště v místech řídkého provozu. Proto se nově za minimální hodnotu vlakového šuntu důrazně doporučuje uvažovat s hodnotou alespoň 0,1 Ω a na spádovišti s hodnotou 0,5 Ω. Stanovení odpovídající hodnoty normativního šuntu nezávisí jen na odporu přechodu kolo-kolejnice a odporu vlastního železničního dvojkolí, ale i na dalších podmínkách funkce kolejového obvodu. Jak dále uvidíme, snaha po dosažení maximální šuntové citlivosti kolejového obvodu (tj. citlivosti na co nejvyšší hodnotu vlakového šuntu) je totiž limitována požadavkem na kontrolu lomu kolejnice, požadavkem na spolehlivou funkci i při nízkém svodu kolejového vedení a požadavkem na technickou délku kolejového obvodu. Je tedy třeba posuzovat normovanou hodnotu vlakového šuntu ve vztahu k těmto okolnostem. Výše uvedená opatření jsou nezbytná, ale jejich účinnost sama o sobě není absolutní. Příčinou je výrazně napěťová závislost přechodového odporu kolo-kolejnice při znečištění povrchů, tedy nejpodstatnější

24

složky vlakového šuntu. Byla provedena řada výzkumů (i u ČD) pro přesnější určení napěťové závislosti tohoto odporu v souvislosti s dalšími vlivy (frekvence pracovního signálu kolejového obvodu, nápravový tlak, teplota, vlhkost, znečištění ovzduší, dopravní pauzy atd.). Skrovné výsledky těchto mimořádně obtížných výzkumů nás poučují o tom, že u málo znečištěných povrchů je dostatečné napětí cca 1 V, zatímco při silném znečištění je potřebné napětí spolehlivého průrazu přechodového odporu kolo-kolejnice cca 60 V. Proto se nově u kolejových obvodů uvádí tzv. fritovací napětí jako minimální napětí, které je funkcí kolejového obvodu zajištěno ve volném stavu mezi kolejovými pasy. U ČD je nyní stanoveno minimální fritovací napětí 0,8 V.

25

3 3.1

VÝSTROJ ZDROJE

Základními sledovanými vlastnostmi zdrojů pro paralelní kolejové obvody jsou napětí, frekvence, dovolené zatížení (to vše včetně tolerancí) a dále účinnost, počet fází a jejich vzájemný vztah. Na rozdíl od zdrojů pro jiné účely musí být rozhodující parametry zajištěny tak, aby mohly být zaručeny vlastnosti kolejových obvodů ve smyslu zabezpečovací techniky. Pro napětí to znamená zejména vyloučit možnost vzniku stavů, kdy by zdroj dodával vyšší napětí než udává jeho tolerance. U zdrojů pro kolejové obvody s fázově citlivými přijímači se musí navíc zajistit, že jejich poruchou nedojde k přesunutí citlivosti přijímačů do oblasti výskytu rušivých napětí, popřípadě že nedojde ke změně fázových poměrů, která by ohrozila fázovou ochranu před vlivem sousedního kolejového obvodu. Takové zdroje lze navrhovat jako jednofázové nebo dvoufázové. V druhém případě se obvykle jedna fáze použije pro napájení kolejového obvodu (kolejová fáze) a druhá fáze pro napájení místního systému relé nebo referenčního obvodu fázového diskriminátoru (místní fáze). Fázové poměry mezi oběma fázemi jsou obvykle měnitelné po skocích. U zdrojů lze definovat tři součinitele nestability napětí zdroje, které se uplatní v dalších rozborech

k u( − ) = kde

U min U nom

k u( + ) =

U max U nom

ku =

U max U min

(3-1)

Umin je minimální napětí zdroje, Unom je nominální napětí zdroje a Umax je maximální napětí zdroje (zaručené).

Obvykle se kolejové obvody navrhují pro kolísání napájecího napětí Unom ± 10 %, čemuž odpovídá:

k u( − ) = 0,9

3.2

k u( + ) = 11 ,

k u = 1,22 .

KOLEJOVÉ PŘIJÍMAČE V kolejových obvodech se používají různé přijímačové soubory v závislosti na druhu a kvalitě vyhodnocovaného signálu. Ve většině případů je však dříve či později problém příjmu převeden na prosté vyhodnocení amplitudy určité složky signálu. Ta může nabývat různých hodnot významných z hlediska funkce kolejového obvodu.

Na obr. 3-1 jsou znázorněny významné hodnoty běžného neutrálního relé. Obdobné hodnoty lze definovat i u jiných typů přijímačů. Při zvyšování napětí na relé od nuly dojde při hodnotě Up1 k jeho přítahu a při snižování napětí z maximální dovolené hodnoty Upp dojde při hodnotě Uo1 k jeho odpadu. Tyto hodnoty se budou poněkud lišit u Obr. 3-1 jednotlivých relé daného typu. Pro všechna relé daného typu (v případě kolejových relé to budou relé I. spolehlivostní skupiny) lze pak určit hodnoty mezní - hodnotu přítahu Up a hodnotu odpadu Uo. Hodnota Up bude maximum ze všech hodnot Upi individuálních relé, hodnota Uo bude minimum ze všech hodnot Uoi. Při napětí Up všechna relé daného typu (při bezporuchovém stavu) spolehlivě přitáhnou, při napětí Uo všechna relé daného typu (bez ohledu na stav) bezpečně odpadnou. Obdobně lze pro celý soubor stanovit

26

hodnotu nepřítahu Unp, kdy žádné relé daného typu (bez ohledu na stav) ještě určitě nepřitáhne, a hodnotu neodpadu Uno, kdy žádné relé daného typu (při bezporuchovém stavu) ještě neodpadne. Vzájemné vzdálenosti všech těchto hodnot budou závislé na hysterezi a přesnosti (opakovatelnosti) konstrukce přijímače. Z uvedených hodnot lze pro další potřebu stanovit součinitel vypnutí kv staticky pracujícího přijímače

kv =

Uo Up

(3-2)

Při konstrukci nových přijímačů se obvykle usiluje o dosažení co nejvyšší hodnoty součinitele vypnutí; u běžných kolejových relé se dosahuje hodnot cca 0,5. U impulsních kolejových obvodů (ale také u staticky pracujících obvodů v době od odpadu do nového přítahu přijímače) vlastnosti kolejového obvodu na hodnotě odpadu přijímače přímo nezávisí, protože impulsní činnost ustane (a ke změně stavu staticky pracujícího přijímače ve výše uvedeném časovém úseku nedojde) bude-li na přijímači dosaženo hodnoty menší než je hodnota zaručeného nepřítahu Unp. Pro tyto případy lze stanovit součinitele vypnutí impulsně pracujícího přijímače

k ′v =

U np Up

(3-3)

Součinitel vypnutí kv´ se u impulsních kolejových relé pohybuje obvykle nad hodnotou 0,7 což je výrazně více než hodnota kV. Tento rozdíl je také obvykle hlavní příčinou při dosahování některých lepších parametrů u impulsních kolejových obvodů, v porovnání s obvody staticky pracujícími. V praxi ovšem kolejový přijímač není provozován vždy při hodnotě Up. Skutečné provozní napětí bude voleno tak, aby hodnoty Up bylo dosaženo i při minimálním napájecím napětí a to ještě s určitou rezervou, danou koeficientem provozní jistoty kp. Při maximálním napájecím napětí pak bude na přijímači napětí

U ′p = k p

U max Up = k u ⋅ k p ⋅ Up . U min

(3-4)

Pro stabilnost funkce kolejového obvodu má značný význam hodnota zaručeného neodpadu a to zejména u staticky pracujících přijímačů. Všechny náhodné změny, probíhající v kolejovém obvodu při volném stavu a vyvolávající pokles napětí na přijímači, se totiž do hodnoty neodpadu Uno neprojeví. Zvýší-li se konstrukční úpravou přijímače součinitel vypnutí, sníží se jeho hystereze a výhoda z ní plynoucí se ztratí. Pro kompenzaci by pak bylo třeba ve volném stavu přivádět na přijímač napětí s vyšší rezervou. Později uvidíme, že každé zvýšení napětí se však v kolejovém obvodu projeví stejně jako redukce součinitele vypnutí. Proto extrémně vysokých hodnot součinitele vypnutí (cca nad 0,8) nelze v kolejových obvodech prakticky využít. Na základě výše uvedených hodnot pak můžeme definovat tzv. redukovaný součinitel vypnutí

k vr =

Uo Uo kv = = , U ′p k u ⋅ k p ⋅ U p k u ⋅ k p

(3-5)

který souhrnně definuje vlastnosti kolejového přijímače a napájecího zdroje. Při obvyklých hodnotách kV = 0,5, kU = 1,22 a kP = 1,1 bude kvr = 0,373. V řadě aplikací je důležitá kmitočtová selektivita přijímačů. U neohraničených kolejových obvodů (NKO) nebo kolejových obvodů s elektrickými styky (ESKO) jsou sousedící obvody většinou provozovány s odlišnou frekvencí a je nezbytné zajistit, aby přijímače byly citlivé pouze na signál vlastního kolejového obvodu. Také v klasických kolejových obvodech je z důvodu ochrany před cizími rušivými vlivy nutné zajistit selektivnost přijímače pouze na signální kmitočet obvodů. V některých případech se selektivita zajišťuje zařazením filtru před vlastní přijímač, který pak již vyhodnocuje pouze úroveň signálu, který filtrem projde. U takto použitých filtrů je nutné se vypořádat s problémem bezpečnosti filtru při poruchách (podle zvyklostí zabezpečovací techniky), což vzhledem k velké dynamice signálu přicházejícího z kolejového obvodu není snadný úkol. V úvahu proto přicházejí i řešení s redundantním zařízením.

27

3.2.1 Indukční relé Zvláštní skupinu přijímačů tvoří kolejové přijímače fázově závislé, u nichž záleží nejen na úrovni signálu, ale též na vzájemném fázovém vztahu. Nejběžnějšími přijímači tohoto typu jsou dvoufázové indukční relé. Ta se v kolejových obvodech uplatnila ve dvou podobách: odvozené od Ferrarisova motoru a indukčního motoru s kotvou nakrátko. V prvním případě je relé tvořeno dvojicí elektromagnetů mezi jejichž pólovými nástavci je výkyvně uložen rotor v podobě výseče z vodivého ale neferomagnetického materiálu (hliníkový plech). Výseč pákovým převodem ovládá kontaktní sadu. V druhém případě statorové vinutí tvoří dva systémy cívek zatímco rotor - kotva - je klecová. Na výseč nebo rotor působí točivý moment, obecně daný vztahem

M = k ⋅ f ⋅ Φ m ⋅ Φ p ⋅ sin ψ , kde

Φm a Φp jsou magnetické toky vyvolané místním a kolejovým vinutím relé, ψ je fázový posuv mezi toky Φm a Φp , f je signální kmitočet.

Rozborem magnetických toků a fázových vztahů lze momentovou rovnici indukčního relé vyjádřit vztahem

M= kde

k ⋅ Um ⋅ Up f

cosα i − α

(3-6)

Um a Up jsou místní a kolejové napětí relé, αi je ideální a α je skutečný fázový posuv mezi napětími Um a Up . Z tohoto vztahu je patrné, že určitý moment se dosáhne s nejmenší úrovní napětí Up, bude-li napětí Up natočeno právě do polohy ideálního napětí Upid (viz fázorový diagram indukčního relé na obr. 3-2). Bude-li se skutečné napětí Up odchylovat od napětí Upid o úhel Δϕ, bude pro stejný moment třeba, aby jeho úroveň byla

Up =

U pid cos Δϕ

(3-7)

Jmenovitá hodnota ideálního úhlu mezi napětími (proudy) přivedenými na relé doplňuje u těchto Obr. 3-2 relé závazné hodnoty napětí přítahu a odpadu. Hodnoty přítahu a odpadu jsou stanoveny pro ideální fázové poměry a pro nominální referenční napětí Um (Im ). Hodnota αi se u tohoto typu přijímačů pohybuje obvykle kolem hodnoty 90°. Ze vztahu (3-6) je dále patrný vliv kolísání úrovně referenčního napětí Um. Bude-li Upid stanoveno při nominální hodnotě referenčního napětí Um nom , bude pro udržení stejného momentu při minimální hodnotě referenčního napětí Um min nutné napětí Up upravit na

Up = kde

28

k ′u ( − ) =

U m min . U m nom

U pid k ′u ( − ) ⋅ cos Δϕ

(3-8)

Pro dvoufázové indukční relé a napájecí zdroj lze také ze vztahu (3-6) odvodit redukovaný součinitel vypnutí. Kolísání zdroje se uplatní dvakrát (jednou na kolejovém systému, podruhé na místním systému) a proto

k vr = kde

ku

k ′u

kv k u ⋅ k ′u ⋅ k p

(3-9)

je součinitel nestability napětí kolejové fáze napájecí ho zdroje, je součinitel nestability napětí referenční fáze napájecího zdroje.

Fázově citlivé přijímače jsou samozřejmě citlivé i na změnu frekvence. Předpokládejme, že na přijímač je přivedeno napětí Up s úhlovým kmitočtem ωp, zatímco na místní systém je přivedeno napětí Um s úhlovým kmitočtem ωm. Pak okamžitá hodnota momentu bude

M = k ⋅ U p ⋅ cos ω p t ⋅ U m ⋅ cos ω m t =

k ⋅ Up ⋅ Um 2

[cos(ω

p

]

− ω m ) t + cos(ω p + ω m ) t ,

(3-10)

čili moment (a podobně i výsledné napětí fázového diskriminátoru) se mění periodicky s rozdílem obou přivedených kmitočtů. To, jak bude relé reagovat již záleží na jeho časových nebo mechanických setrvačných charakteristikách. Při malém rozdílu kmitočtů bude například relé schopno změnu momentu přesně sledovat, se vzrůstajícím rozdílem kmitočtů se bude amplituda výchylky rotoru snižovat, až relé zůstane trvale v rovnovážné poloze. Tak např. u indukčních relé typu DSŠ se předpokládá schopnost sledovat změnu momentu do frekvence 4 Hz. (Bude-li na přijímač přivedeno vícevlnné referenční napětí, budou momentové složky vznikat od každé složky napětí.) Odtud plynou závěry pro účelné a praktické využití fázově citlivých přijímačů : • je nutné zajistit, aby do referenčního systému nebyl v žádném případě superponován rušivý proud, který by pak spolu s rušivým proudem přivedeným na kolejový systém z kolejnic produkoval přídavný moment. Rušivý proud může být na referenční systém přiveden jednak prostřednictvím zdroje referenčního napětí nebo elektromagnetickým vlivem na vedení (rozvod) referenčního napětí. Situace se zjednoduší, bude-li zdroj referenčního napětí oddělen od zdroje kolejového napětí a budou-li referenční zdroj a přijímače umístěny v bezprostřední blízkosti tak, aby nebylo třeba uvažovat vlivy na rozvod, • signální kmitočet musí být volen tak, aby byl, i s ohledem na časové parametry přijímače, dostatečně vzdálen od kmitočtu očekávaných rušivých napětí.

3.2.2 Fázové detektory Kromě indukčních relé se v kolejových obvodech jako fázově citlivé přijímače využívají fázové detektory, které jsou založeny na dvou odlišných principech. V prvním případě jde o tzv. fázové diskriminátory neboli fázově citlivé usměrňovače. Princip je naznačen na obr. 3-3, z kterého lze určit výsledné stejnosměrné napětí. V horní půlce diskriminátoru je usměrněn součet vektorů napětí Um a Up , v dolní půlce je usměrněn rozdíl napětí Um a Up. Za předpokladu, že Um >> Up je

U1 ≅ U m + U p ⋅ cos ϕ U 2 ≅ U m − U p ⋅ cos ϕ a tedy

U v = U1 − U 2 ≅ k ⋅ U p ⋅ cos ϕ . Druhý typ fázových detektorů lze označit jako synchronní detektory. Princip je na obr. 3-4, kde jsou uvedeny i odpovídající průběhy napětí. Jak patrno, referenční napětí je upraveno na obdélníkový průběh se střídou 1:1 a spínačem se z napětí Up získává

Obr. 3-3

29

napětí Uv se stejnosměrnou složkou U0 závislou jednak na amplitudě napětí Up, jednak na fázovém posunu, čili opět

U 0 = k ⋅ U p ⋅ cos ϕ .

Um

Up

Uv Uo

Obr. 3-4 U obou typů musí být výstupní napětí vyhodnocováno polaritním čidlem, mají-li se rozlišit obě funkční poloroviny pro kontrolu izolovaných styků. Vztahy pro výsledná napětí dále ukazují, že při vhodné konstrukci nemusí být tyto přijímače v určitém rozsahu závislé na kolísání amplitudy referenčního napětí a mohou bez podstatné změny parametrů pracovat v širokém rozmezí pracovních kmitočtů. Vztah (3-7) platí pro fázové detektory stejně jako pro indukční relé, typická hodnota αi se pohybuje kolem hodnoty 0°. Určitý problém u fázových diskriminátorů představují požadavky na bezpečnou funkci. Tak např. při přerušení jedné poloviny fázového diskriminátoru zůstane na výstupu také usměrněné napětí Um, protože se již nekompenzuje napětím Um z druhé poloviny. Je tedy nutné zavést odpovídající postupy pro ochranu před poruchami (impulzní činnost, dohled jednotlivých prvků atd.). Možnost (někdy přímo nutnost) zavedení impulzní činnosti kolejových obvodů s fázovými detektory je výhodou, kterou indukční relé z mechanických důvodů neumožňují. ČD využívají tří provedení přijímačů tohoto typu: přijímač v přejezdovém zařízení typu VÚD a přijímač FID, oba v impulsním režimu a přijímač DBP ve statickém režimu s kontrolou kritických částí obvodu diskriminátoru. U synchronního detektoru výše zmíněný problém odpadá, pokud spínač na obr. 3-4 bude realizován neusměrňujícím prvkem. Tím je např. transistor řízený polem (FET). Na tomto základě byl ve VÚŽ navržen a v SignalMontu (za spolupráce Starmonu) posléze realizován přijímač EFCP. Při realizaci bylo zvolen princip řešení obvody s vnitřní bezpečností dle blokového schema na obr. 3-5. Napětí kolejové fáze je přivedeno přes vstupní obvdy na signálový vstup jednocestného synchronního detektoru. Na řídící vstup synchronního detektoru je přiveden referenční signál, získaný z napětí místní fáze jeho transformací v Tr2 a vytvarováním na napětí obdélníkového tvaru v bloku tvarovače, kde je usměrněním části referenčního napětí získáno rovněž pomocné stejnosměrné napětí pro napájení dalších obvodů fázově citlivého přijímače. Napětí z fázového detektoru je přivedeno přes RC filtr typu dolní propust na vstup hladinového obvodu s dynamickou funkční kontrolou (komparátor), který slouží jako převodník analogového signálu na dvoustavový výstupní signál. Tím může být po usměrnění napájena cívka výstupního elektromechanického relé první bezpečnostní skupiny.

30

Kolejová fáze

Ref. fáze

Vstupní obvody

Synchr. detektor

Dolní propust

Hlad. obvod

Výst. obvod

R

Vstupní obvod

Obr. 3-5 Využitím vlastností použitých součástí ve vstupních obvodech kolejové fáze (transformátoru Tr1 a čtyřvývodového zatěžovacího rezistoru na sekundáru Tr1) se dosáhlo toho, že ve všech poruchových stavech dojde vždy k poklesu napěťového přenosu mezi vstupem kolejové fáze a vstupem navazujícího fázového detektoru. Obdobně pro dolní propust RC platí, že v případných poruchových stavech dojde vždy k poklesu napěťového přenosu a zvýšení časové konstanty (snížení mezního kmitočtu dolní propusti). Hladinový obvod (komparátor) svou konstrukcí bezpečně zajišťuje, že ani v poruchových stavech nedojde ke zvýšení jeho citlivosti (snížení napěťového prahu). Dynamický režim výstupu hladinového obvodu je prostřednictvím vazebního sériového rezonančního obvodu LC, výstupního transformátoru Tr3 a usměrňovacího můstku převeden na stejnosměrný signál, kterým je buzena cívka relé první bezpečnostní skupiny typu NMŠ1-2000. Zapojení výstupního obvodu zaručuje ochranu proti rušení střídavými silovými poli síťového kmitočtu (a jeho harmonickými složkami) a proti případnému zvlnění na stejnosměrné napájecí sběrnici. Výsledkem je konstrukce, která splňuje požadavky na úroveň integrity bezpečnosti SIL 4. V tabulce 3-1 jsou uvedeny rozhodující hodnoty některých u ČD používaných dvoufázových přijímačů. Tab. 3-1 Typ f [Hz] Zp [Ohm] Up [V] Um [V] αi [°] Pp [VA] Pm [VA] 600∠65° DSŠ-12 50 14 220 97 0,3 16 850∠68° 18 220 86 0,4 10 DSŠ-12P 75 2450∠5° 30 230 10 0,37 6 EFCP-75 75 220 80? 0,75 22 DSŠ-12S 275 13600∠62° 100 800∠8° EFCP-275 275 14,5 230 18 0,26 5,5

3.3

STYKOVÉ TRANSFORMÁTORY

Stykové transformátory zajišťují převod trakčního proudu dvoupásovým kolejovým obvodem a zároveň vhodným transformačním poměrem přizpůsobují výstroj napájecího a přijímacího konce ke kolejovému vedení. Primární (trakční) vinutí stykového transformátoru musí být dimenzováno na trakční proudy. Při stejnosměrné trakci 3000 V se obvykle dimenzuje na 1000 A na jednu kolejnici, při střídavé trakci 25 kV na 150 A. Sekundární vinutí je dimenzováno pouze na signální proud. Magnetický obvod je pro stejnosměrnou trakci nutno opatřit výraznou vzduchovou mezerou k potlačení vlivu stejnosměrné předmagnetizace jádra nesymetrickým průtokem trakčního proudu v obou kolejnicích. Přitom samozřejmou snahou je minimalizace rozměrů a váhy stykového transformátoru vzhledem k počtu aplikací. Všechny tyto okolnosti v souhrnu způsobují, že magnetizační proudy a rozptyly Obr. 3-6

31

jsou větší než by byly u běžných transformátorů stejné typové velikosti. Vlastnosti stykového transformátoru tak výrazně ovlivňují parametry celého kolejového obvodu. Náhradní schéma stykového transformátoru je na obr. 3-6. Z T-článku a ideálního transformátoru je možné také stanovit kaskádní matici, kde v závislosti na směru přenosu si mění místo prvky A11 a A22. Protože jde o pasivní dvojbran, je princip stanovení parametrů měřením zřejmý. Jisté problémy představuje nelinearita obvodu (vzhledem k uvedeným konstrukčním zvláštnostem je magnetický obvod stykového transformátoru za normálního provozu obvykle velmi málo sycen), změna parametrů při předsycení nesymetrickým trakčním proudem a relativně široké výrobní tolerance. To vše je třeba podle konkrétně použitého stykového transformátoru zohlednit při výpočtu kolejového obvodu.

3.4

OSTATNÍ PRVKY

Kolejové obvody jsou konstruovány podle zásad zabezpečovací techniky i co do uvažovaní poruch. V některých konstrukcích pak může použití i běžných prvků (kondenzátor, odpor) působit problémy. V řadě konstrukcích by velké, někdy neřešitelné, problémy způsobilo, kdyby se muselo uvažovat zmenšení nastavitelných odporů, kterými se dorovnává odpor smyčky přívodních kabelů. Proto se používá speciálních regulačních odporů, jejichž poloha je mechanicky zvlášť zajištěna a na základě tohoto technologického opatření se vznik poruchy - zmenšení regulačního odporu - neuvažuje. V některých aplikacích lze také s výhodou využít kondenzátoru se čtyřmi vývody.

32

4

ANALÝZA

V předchozích částech jsme již konstatovali, že paralelní kolejový obvod prochází různými stavy. Před příjezdem vlaku je v tzv. volném stavu, kdy je rozhodujícím požadavkem dopravit kolejovým obvodem ze zdroje dostatečné napětí pro vybuzení přijímače. Po vjetí kolejového vozidla do kolejového obvodu se kolejový obvod nachází v tzv. šuntovaném stavu, kdy je důležité zajistit, aby vozidlo nacházející se v kterémkoliv místě kolejového obvodu svým šuntem ovlivnilo elektrické parametry obvodu tak, že přijímač kolejového obvodu nebude vybuzen. Současně je nutné zajistit, aby pod případnými snímači vlakového zabezpečovače protékal proud, který vybudí přijímač vlakového zabezpečovače. Také v případě lomu kolejnice, v tzv. havarijním stavu, nesmí dojít k vybuzení přijímače kolejového obvodu. Rozboru jednotlivých těchto stavů jsou věnovány následující odstavce.

4.1

VOLNÝ STAV

Na obrázku 4-1 je náhradní schéma klasického paralelního kolejového obvodu. Mezi ideální zdroj napětí U a kolejový dvojbran A je zapojena tlumící impedance Zt a dvojbran napájecí strany An, na druhém konci kolejového obvodu je mezi kolejový dvojbran A a přijímač s impedancí Zp zařazen dvojbran přijímací strany Ap. Dvojbran A představuje vlastní kolejové vedení, zdroj napětí U, tlumící impedance Zt a dvojbran

Obr. 4-1 An představují veškerou výstroj napájecího konce a obdobně dvojbran Ap a přijímač P představují veškerou výstroj přijímacího konce kolejového obvodu. V náhradním schématu platí následující přenosové rovnice, ve kterých A jsou jednotlivé prvky kaskádních matic odpovídajících dvojbranů U

= Uv + Zt Iv

(4-1)

Uv = An11 U1 + An12 I1

(4-2)

Iv = An21 U1 + An22 I1

(4-3)

U1 = A11 U2 + A12 I2

(4-4)

I1 = A21 U2 + A22 I2

(4-5)

U2 = Ap11 Upr + Ap12 Ipr

(4-6)

I2 = Ap21 Upr + Ap22 Ipr

(4-7)

Upr = Zp Ipr

(4-8)

Pro další práce s kolejovými obvody je účelné zavést pojem přenosové impedance Za kolejového obvodu. Je definována jako poměr napětí na začátku obvodu k proudu na konci obvodu

Za =

U I pr

(4-9)

Přenosová impedance podchycuje konstrukci kolejového obvodu, bez ohledu na přiváděnou energii. Jsou-li známy parametry výstroje kolejového obvodu a parametry kolejového vedení, je možné přenosovou

33

impedanci Za určit. Ze vztahu (4-9) ale také vyplývá, že má-li být v přijímači dosaženo proudu Ipr, musí napájecí napětí obvodu mít hodnotu

U = Z a ⋅ I pr

(4-10)

Při určení požadované hodnoty Ipr je třeba vycházet z hodnoty zaručené činnosti přijímače Ipr , která se obvykle ještě zvyšuje součinitelem provozní jistoty kp pro zvýšení spolehlivosti funkce kolejového obvodu ve volném stavu. U dvoufázových přijímačů je nutné dále napájecí napětí korigovat podle fázové odchylky Δϕ proudu Ipr od ideálního stavu a případně podle napěťové závislosti místního systému k´u(-) (viz kapitola 3.2.). Pro zajištění spolehlivé funkce kolejového obvodu ve volném stavu nesmí tedy proud přijímače klesnout pod hodnotu

I pr min =

Ip ⋅ kp

(4-11)

k ′u ( − ) ⋅ cos Δϕ

Přenosová impedance se pochopitelně mění v závislosti na prvcích kaskádní matice dvojbranu A vlastního kolejového vedení, tedy v závislosti na okamžitém stavu primárních parametrů kolejového vedení. Právě tak přenosová impedance závisí na parametrech výstroje kolejového obvodu, které také nejsou zcela konstantní, uvažují-li se tolerance výstroje či její poruchy (dále označováno symbolem δ). Přenosová impedance ve

Obr. 4-2 výrazu (4-10) musí být v každém případě stanovena s ohledem na všechny možné nejnepříznivější parametry, při nichž má kolejový obvod ještě pracovat, tedy musí být určena její maximální hodnota. Vypočtené napětí pak bude napětím minimálním, pod které nesmí napájecí napětí na začátku kolejového obvodu poklesnout. Výraz (4-10) je tedy nutné doplnit na

U min = max Z a ⋅ I pr min y,z,δ

a protože (viz část 3.1) Umin = ku(-) .Unom , můžeme pro potřebné nominální napájecí napětí kolejového obvodu napsat souhrnně výraz

U nom = max Z a y , z ,δ

kp ⋅Ip k u ( − ) ⋅ k ′u ( − ) ⋅ cos Δϕ

přičemž pro fázově necitlivý přijímač bude k ′u( − )

(4-12)

= 1 , Δϕ = 0 .

Na obr. 4-2 je fázorový diagram celého kolejového obvodu, slučující fázové poměry přijímače s fázovými poměry napájecího zdroje. Napájecí napětí Unom je odvozeno z kolejové fáze Uk, místní fáze Um je použita

34

jako referenční napětí pro přijímač. Důležitá je orientace všech fázových úhlů. Při orientaci úhlů v obrázku zavedené platí

Δϕ = ϕ i − ϕ Za α = α i − Δϕ

ϕ i = ϕ Zp + α i − β Specifická situace vznikne, dojde-li naopak k takovému stavu všech proměnných parametrů v kolejovém obvodu, včetně napájecího napětí, kdy bude přijímačem protékat maximální proud. Jeho velikost bude nepochybně určena vztahem

I pr max =

max Z a y , z ,δ

min Z a

I pr min ⋅ k u

(4-13)

y , z ,δ

Tuto velikost lze vyjádřit ve vztahu k základní hodnotě činnosti kolejového přijímače Ip koeficientem přetížení přijímače kpp

k pp =

I pr max Ip

=

max Z a ⋅ k p ⋅ k u y , z ,δ

min Z a ⋅ k ′u ( − ) ⋅ cos Δϕ

(4-14)

y , z ,δ

Na takové přetížení musí být přijímač dimenzován, aby ve volném stavu nedošlo k jeho nestabilní činnosti nebo dokonce k poškození. V klasických kolejových obvodech je možná ještě další úprava náhradního schéma kolejového obvodu z obr. 4-1. Na napájecím konci lze nahradit tlumící impedanci Zt a dvojbran An jedinou ekvivalentní impedancí Ze, nahradíme-li současně napájecí zdroj o napětí U ekvivalentním zdrojem o napětí Ue. Přitom (za použití Théveninova teorému) napětí Ue bude rovno napětí U1 při rozpojené svorce 1 a impedance Ze bude rovna zpětné vstupní impedanci na svorkách 1,2 při zkratovaném zdroji napětí U (obr. 4-3). Na přijímací straně lze dvojbran Ap, zakončený impedancí Zp, nahradit jedinou impedancí Z2. Úpravou Obr. 4-3 dostaneme schéma z obr. 4-4, nazývané ekvivalentní schéma kolejového obvodu. V něm je vlastní kolejové vedení na napájecí straně ukončeno impedancí Ze a na přijímací straně impedancí Z2. Obě tyto zakončovací impedance mají zásadní vliv na všechny stavy, v kterých kolejový obvod pracuje. Ekvivalentní schéma tak umožňuje zprůhlednit analytické a syntetické práce s klasickými kolejovými obvody. Převod mezi prvky náhradního a ekvivalentního schéma bude určen pro případ, že jsou dvojbrany popsány prvky kaskádních matic. Jak bylo dříve uvedeno, ekvivalentní napětí Ue = U1 pro I1 = 0, proto z rovnic (4-1), (4-2) a (4-3) plyne, že

Ue =

U An11 + Z t An21

,

(4-15)

přičemž převodní součinitel mezi skutečným napětím U a ekvivalentním napětím Ue bude

35

χu =

U = An11 + Z t An21 . Ue

(4-16)

Pro zpětnou vstupní impedanci Ze dvojbranu An z obr. 4-3 můžeme s ohledem na opačný směr přenosu energie a zkratovaný zdroj napětí U napsat

U1 = An22U v + An12 I v

Uv = Z t I v

I 1 = An21U v + An11 I v a odtud

Ze =

U1 An22 Z t + An12 = . I 1 An21 Z t + An11

(4-17)

Na přijímací straně platí

Z2 =

U 2 Ap 11 Z p + Ap 12 = I2 Ap 21 Z p + Ap 22

(4-18)

a převodní součinitel mezi proudem I2 a Ipr , tj. činitel přenosu proudu dvojbranem Ap , bude

χ ip =

I2 = Ap 21 Z p + Ap 22 . I pr

(4-19)

Pro ekvivalentní schéma z obr. 4-4 bude ekvivalentní přenosová impedance volného kolejového obvodu

Z ae =

Ue , I2

(4-20)

protože ale v ekvivalentním schématu také platí přenosové rovnice (4-4), (4-5) a

U e = U1 + Z e I 1 ,

Obr. 4-4

dostaneme po dosazení a úpravě pro ekvivalentní přenosovou impedanci vztah

Z ae = A11 Z 2 + A12 + Z e ( A21 Z 2 + A22 ) .(4-21) Převodní vztah mezi přenosovou impedancí skutečného a ekvivalentního kolejového obvodu bude

Za =

U = χ u χ ip Z ae I pr

(4-22)

V klasických kolejových obvodech se dále obvykle zjednodušeně předpokládá, že maximální hodnoty přenosové impedance ve volném kolejovém obvodu bude dosaženo při maximálním svodu a maximální podélné impedanci kolejového vedení, přičemž se ostatní možné proměnné parametry pomíjí. Pak lze maximální přenosovou impedanci vyčíslit ze vztahu (4-21), když parametry kaskádní matice budou stanoveny pro maximální primární parametry kolejového vedení. Obdobně se předpokládá, že minimální přenosová impedance ve volném kolejovém obvodu bude při nulovém svodu a minimální podélné impedanci kolejového vedení. Dvojbran kolejového vedení A z obr. 4-4 degeneruje v tom případě na pouhou sériovou impedanci (obr. 4-5). Je tedy

36

min Z ae = Z ae 0 = Z e + Z + Z 2 y ,z ,δ

kde

Z = z min ⋅ l .

Obr. 4-5

4.2

ŠUNTOVANÝ STAV

Na obr. 4-6 je náhradní schéma šuntovaného kolejového obvodu. Šuntováním kolejového vedení došlo ke změně dvojbranu A a v důsledku toho i ke změně proudu přijímačem. Analogicky k přenosové impedanci kolejového obvodu ve volném stavu můžeme zavést přenosovou impedanci kolejového obvodu v šuntovaném stavu

Z as =

U I ps

(4-23)

kde Ips je proud přijímačem v šuntovaném stavu. Zatímco ve volném stavu přijímačem protékal proud Ipr , při šuntování kolejového obvodu šuntem Rs protéká přijímačem proud Ips . Poměr těchto dvou proudů označme jako součinitel šuntovaného stavu ks

ks =

I ps I pr

=

I ps U I pr U

=

Za Z as

(4-24)

Součinitel ks má obecně komplexní charakter, protože přiložením šuntu dojde nejen ke změně amplitudy signálu, ale i ke změně jeho fáze. Udává poměrnou změnu proudu, k níž dojde na přijímači vlivem přiložení šuntu. Vyhodnocení šuntu kolejovým přijímačem bude možné jen za předpokladu, že tato změna bude větší než minimální změna, kterou je schopen vyhodnotit přijímač. Schopnost přijímače reagovat na změnu amplitudy signálu udává (včetně vlivu kolísání napájecího napětí a koeficientu kp) redukovaný součinitel vypnutí kvr (viz část 3.2). Reakce obvodu na současnou změnu amplitudy i fáze však závisí na typu přijímače.

37

Obr. 4-6

4.2.1 Šuntovaný stav s fázově necitlivým přijímačem Fázově necitlivý přijímač reaguje pouze na změnu amplitudy a je tedy možné přímo porovnávat absolutní část součinitele šuntovaného stavu ks se souhrnným součinitelem kvality přijímače a napájecího napětí kvr. Předpokládá-li se jednotné nastavení obvodu pro veškeré uvažované proměnné parametry, musí podmínka

k vr ≥ k s

(4-25)

platit i při jejich nejnepříznivější kombinaci. Vzhledem k nerovnosti bude nejnepříznivější hodnotou ks hodnota maximální. Maximum vztahu (4-24) bude pro maximální Za a minimální Zas . Obě přenosové impedance jsou funkcemi parametrů kolejového vedení (např. y a z) a tolerancí výstroje (δ). Přenosová impedance v šuntovaném stavu je navíc funkcí šuntu Rs a jeho vzdálenosti x od přijímacího konce. Tedy

max Z a k vr ≥ max k s =

y,z,δ

min Z as

(4-26)

y,z,δ ,R s ,x

Samozřejmě je nutné brát v úvahu, že hodnota kvr je vázána na hodnotu přítahu a odpadu přijímače. Předpokladem platnosti uvedených vztahů proto je, že napájecí napětí kolejového obvodu bude voleno v souladu se vztahem (4-12). Jakékoliv zvýšení napájecího napětí by se projevilo stejně jako pokles součinitele kvr a to ve stejném poměru, v němž bude napájecí napětí zvýšeno proti napětí U (viz součinitel provozní jistoty kp ve vztahu 4-5). Vztah (4-26) obsahuje všechny obvykle slovně uváděné mezní podmínky výpočtu šuntovaného stavu. Zjistíme-li po vyčíslení, že vztah není splněn, znamená to, že šuntová citlivost obvodu je menší než ve výpočtu použitá hodnota Rs. Vyhovuje-li ve vztahu nerovnost, je šuntová citlivost lepší než Rs. Platí-li rovnost, je šuntová citlivost obvodu právě rovna Rs . Na obr. 4-7 je ekvivalentní schéma šuntovaného kolejového obvodu s izolovanými styky. Analogicky k předchozímu můžeme zavést ekvivalentní přenosovou impedanci kolejového obvodu v šuntovaném stavu

Z aes =

Ue I 2s

(4-27)

S ohledem na vztahy (4-16) a (4-19) platí

Z as = χ u ⋅ χ ip ⋅ Z aes

38

(4-28)

Obr. 4-7 Z obr. 4-7, při umístění šuntu Rs ve vzdálenosti x od přijímačového konce, tj. ve vzdálenosti y = (l-x) od napájecího konce, lze napsat následující přenosové rovnice s prvky kaskádních matic dvojbranů AY a AX

U e = U 1s + Z e I 1s

U1s = Ay 11U xs + Ay 12 I x 1s

I 1s = Ay 21U xs + Ay 22 I x 1s I x 1s = I x 2 s +

U xs Rs

U xs = Ax 11U 2 s + Ax 12 I 2 s I x 2 s = Ax 21U 2 s + Ax 22 I 2 s Dosazením do vztahu (4-28) dostaneme

⎛ A Z + Ax 12 ⎞ Z aes = ( Ax 11 Z 2 + Ax 12 ) Ay 11 + Ay 21 Z e + ⎜ Ax 21 Z 2 + Ax 22 + x 11 2 ⎟ Ay 12 + Ay 22 Z e Rs ⎝ ⎠

(

)

(

)

(4-29) V klasických kolejových obvodech se obvykle dále předpokládá, že minimální přenosová impedance v šuntovaném kolejovém obvodu bude při nulovém svodu kolejového vedení a minimální podélné impedanci kolejového vedení. V takovém případě dvojbran AY z obr. 4-7 degeneruje na sériově zapojenou impedanci zmin . (l-x) a dvojbran AX na impedanci zmin . x na obr. 4-8. Prvky kaskádních matic pak budou

Obr. 4-8

Ax 11 = Ax 22 = Ay 11 = Ay 22 = 1 Ax12 = zmin ⋅ x Ay12 = z min ⋅ ( l − x )

Ax 21 = Ay 21 = 0 a výraz pro ekvivalentní přenosovou impedanci (4-29) se změní na

39

Z aes = Z ae0 + kde

Z ax Rs

(4-30)

Z ae 0 = Z 2 + zmin ⋅ l + Z e = min Z ae

[

y ,z ,δ

Z ax = ( Z 2 + zmin ⋅ x ) zmin ⋅ ( l − x ) + Z e

]

V případě, že se neuvažují ani tolerance či jiné změny ve výstroji, budou součinitele χu a χip stejné ve volném i šuntovaném stavu. Při těchto zjednodušeních bude platit

ks =

Za Z = ae Zas Zaes

(4-31)

a tedy v každém místě x kolejového obvodu musí platit

k vr ≥

Z ae Z aes

=

A11 Z 2 + A12 + Z e ( A21 Z 2 + A22 ) Z ae0

(4-32)

Z + ax Rs

Vyčíslení vztahu (4-32) je snazší než vyčíslení úplného vztahu (4-26). V tom konečně spočívá i hlavní smysl zavedení ekvivalentního schéma. Ze vztahu (4-32) pro rovnost lze i přímo (čistě matematickými úpravami) určit šuntovou citlivost kolejového obvodu v místě x. Stanovit šuntovou citlivost kolejového obvodu pak znamená vyhledat místo x, ve kterém je citlivost kolejového obvodu na přiložení šuntu nejmenší. I k tomu lze za určitých zjednodušení nalézt více či méně pracné postupy [1, 2]. Praktický význam znalosti hodnoty šuntové citlivosti kolejového obvodu není ovšem příliš velký. Úvahy na základě vztahu (4-26), s použitím hodnoty normativního šuntu, jsou obecněji použitelné a poskytují praktičtější prostředky pro hodnocení kvality kolejového obvodu v šuntovaném stavu.

4.2.2 Šuntovaný stav s fázově citlivým přijímačem Pro fázově citlivý přijímač lze užít obdobných vztahů jako v předchozí části, je však třeba respektovat účinné složky proudu v přijímači (kap. 3.2.). Předpokládejme kolejový obvod pro který platí vektorový diagram na obr. 4-10, kde Un je napájecí napětí obvodu, Um je referenční napětí na přijímači, Δϕ je úhlová odchylka proudu přijímače při volném stavu Ipr od Ipid a Δϕs je úhlová odchylka proudu přijímačem Ips při šuntovaném stavu. Bude-li reakce přijímače na fázovou odchylku od ideálního režimu kosinového charakteru, bude na přijímač ve volném stavu působit účinná složka (Ipr.cosΔϕ) a v šuntovaném stavu (Ips.cos Δϕs). Místo vztahu (4-24) bude nutné uvažovat vztah

ks =

Obr. 4-9

40

I ps ⋅ cos Δϕ s I pr ⋅ cos Δϕ

=

Za ⋅ cos Δϕ s . Z as ⋅ cos Δϕ

(4-35)

Pro správnou funkci kolejového obvodu musí podmínka kvr > ks opět platit i pro nejnepříznivější stavy vyskytující se v provozu, tedy

max k vr ≥ max k s =

Za cos Δϕ

y ,z ,δ

Zas min cos Δϕ s

(4-36)

y ,z ,δ ,R s ,x

Z výrazu (4-36) je patrné, že šuntové citlivosti se u fázově citlivých přijímačů dosahuje dvěmi prostředky: a) poklesem amplitudy signálu v poměru

Za , Z as

b) rozdílným natočením fáze při šuntovaném a volném stavu v poměru

cos Δϕ s , přičemž nejpříznivějšího cos Δϕ

účinku bude dosaženo za předpokladu, že odchylky ve volném i šuntovaném stavu působí stejným směrem a |Δϕs| > |Δϕ|. Pro klasické kolejové obvody s fázově citlivým přijímačem analogicky platí

max k vr ≥ max k s =

Zae cos Δϕ y ,z ,δ

min

Z aes cos Δϕ s

(4-36)

y ,z ,δ ,R s ,x

Také pro tento případ by bylo možné exaktně určit šuntovou citlivost v místě x [1, 2].

41

4.3

HAVARIJNÍ STAV

Havarijním stavem označujeme stav kolejového obvodu, kdy dojde k elektrickému přerušení jedné kolejnice. K tomu obvykle dochází při jízdě vlaku, působením dynamických sil mezi vozy a kolejnicí, tedy při současném šuntování kolejového obvodu. V tom případě k indikaci havarijního stavu postačí, je-li zajištěno, že po uvolnění kolejového obvodu proud v přijímači nestoupne nad hodnotu zaručeného nepřítahu přijímače. Pokud se požaduje zjištění havarijního stavu i v případě, že dojde k elektrickému přerušení kolejnice bez jízdy vlaku (např. mechanickým pnutím v kolejnici vlivem extrémních teplot nebo vyjmutím kolejnice při Obr. 4-10 údržbě), musí u staticky pracujících přijímačů dojít k poklesu proudu pod hodnotu zaručené nečinnosti přijímače. Pro získání fyzikální představy jevu si lze představit obě části vedení (před lomem a za lomem) se soustředěnými primárními parametry (obr. 4-10). Impedanční struktura názorně ukazuje přemostění lomu dojde k rekonfiguraci, části příčného svodu se změní na sériové podélné složky.

Obr. 4-11 Náhradní schéma pro havarijní stav se od schéma volného stavu liší pouze jinými parametry kolejového vedení (obr. 4-11). Analogicky se šuntovaným stavem můžeme zavést součinitel havarijního stavu kolejového obvodu

kh =

I ph ⋅ cos Δϕ h I pr ⋅ cos Δϕ

=

Z a ⋅ cos Δϕ h Z ah ⋅ cos Δϕ

(4-37)

kde Zah je přenosová impedance kolejového obvodu v havarijním stavu (pro fázově necitlivý přijímač je nutno, ze stejných důvodů jako u šuntovaného stavu, považovat úhly Δϕ a Δϕh za nulové)

Z ah =

U . Iph

(4-38)

Podmínku pro bezpečné rozpoznání havarijního stavu lze pak napsat

max k vr ≥ max k h =

Za cosΔϕ

y,z,δ

Z ah min cosΔϕ h

,

(4-39)

yh,z,δ ,xh

kde

42

xh je kritické místo lomu kolejnice (lom v místě, při kterém bude výraz ve jmenovateli minimální),

yh je kritická hodnota svodu (vybraná v intervalu ymax ÷ 0, při níž bude hodnota výrazu ve jmenovateli opět minimální). Hodnotu součinitele kvr je nutné stanovit s ohledem na to, zda obvod má zjišťovat havarijní stav pouze v součinnosti s jízdou vlaku nebo zda má zajišťovat i kontrolu na vyjmutí kolejnice. V prvém případě se použije hodnoty k´V podle (3-3), v druhém případě hodnoty kV podle (3-2). V metodice výpočtu tedy není podstatný rozdíl od analýzy šuntovaného stavu. Rozdílné jsou ovšem hodnoty a způsob odvození čtyřpólových parametrů vedení s lomem. Při jejich odvozování se vychází z představy vedení podle obr. 2-4b, jak je popsáno v odstavci 2.3. V tomto místě připomeňme, že existují železnice, které možnost lomu koleje neberou při konstrukci kolejového obvodu v úvahu. Požadavky plynoucí z havarijního stavu (které jsou obvykle protikladné k požadavkům na šuntovaný stav) pak konstrukci kolejového obvodu neztěžují a dosahuje se výrazně lepších parametrů ve volném a šuntovaném stavu. Tento přístup si však mohou dovolit pouze ty železnice, které se nebezpečí lomu účinně brání jinými způsoby - pečlivou kusovou defektoskopickou kontrolou při výrobě, opakovanou pečlivou defektoskopickou kontrolou po pokládce a periodickou pečlivou defektoskopickou kontrolou během provozu, takže vznik jednoho lomu za provozu je mimořádně málo pravděpodobný a vznik dvou lomů v jednom kolejovém obvodu (který by ohrozil již i detekci šuntu) lze neuvažovat. Obdobný stav, jako skutečný lom koleje, může samozřejmě navodit i odpadlá styková propojka. Také jejich vliv pak musí být minimalizován, např. zásadním používáním celosvařovaných kolejnic nebo kvalitní technologií jejich montáže a údržby. Na obr. 4-12 je ekvivalentní schéma kolejového obvodu v havarijním stavu. Ekvivalentní přenosovou impedanci kolejového obvodu v havarijním stavu bude u klasických kolejových obvodů (za stejných zjednodušujících předpokladů jako u stavu šuntového)

Obr. 4-12

Z aeh =

Ue = Ah11 Z 2 + Ah12 + Z e ( Ah21 Z 2 + Ah22 ) I2h

(4-40)

a podmínka pro bezpečné rozpoznání havarijního stavu bude mít tvar

max k vr ≥

Zae cos Δϕ

y ,z ,δ

Zaeh min cos Δϕ h

.

(4-42)

yh ,z ,δ ,xh

43

4.4

PŘENOS SIGNÁLU LVZ

Pro mobilní část liniového vlakového zabezpečovače je nutné zajistit pod snímači hnacího vozidla jistou velikost signálního proudu. Pokud je tento proud společný pro funkci kolejového obvodu i LVZ, je nutné se jím zabývat i v souvislosti s konstrukcí a údržbou kolejového obvodu. Přitom pro zařízení LVZ je obvykle důležitá jak minimální tak i maximální hodnota proudu v kolejích, která se při průjezdu kolejovým obvodem pod snímači může objevit. Na obr. 4-13 je ekvivalentní schéma pro sledování signálu LVZ. Nedopustíme se významné chyby, budeme-li v tomto případě uvažovat Rs = 0. Analogicky s volným stavem můžeme zavést

Z aeLVZ =

Ue I 2 LVZ

= A 12 + Z e A 22

(4-42)

Při pohybu vozidla se přenosová impedance bude v kolejovém obvodu délky l měnit se vzrůstající vzdáleností x od přijímačového konce. Pro přenosovou impedanci v místě x pak bude platit Obr. 4-13

Z aeLVZx = A x12 + Z e A x 22 =

sinh γ (l − x)

Z0

+ Z e cosh γ (l − x)

Proud pod snímači při vzdálenosti x vozidla od přijímacího konce kolejového obvodu lze vyjádřit například

I xLVZ =

Ue Z aeLVZx

=

Z ae ⋅ I 2 Z ae ⋅ χ ip I pr = Z aeLVZx Z aeLVZx

(4-43)

Napájecí napětí kolejového obvodu je však voleno tak, aby při jeho minimální hodnotě bylo v přijímači dosaženo proudu alespoň podle vztahu (4-11), čili

I xLVZ min =

Z ae ⋅ χ ip ⋅ I pr Z aeLVZx

=

Q Z aeLVZx

(4-44)

kde

Q=

Z ae ⋅ χ ip ⋅ I p ⋅ k p k ′u ( − ) ⋅ cos Δϕ

= Z ae ⋅ χ ip ⋅ I pr min

Bude-li pak na přijímací straně kolejového obvodu při minimálním napájecím napětí minimální proud pod snímači

I 2 LVZ min =

A 12

Q + Z e ⋅ A 22

(4-45)

a na napájecí straně při maximálním napájecím napětí maximální proud pod snímači

I 1LVZ max =

44

Q ⋅ k u( + ) Z e ⋅ k u(- )

(4-46)

můžeme vyjádřit poměr maximálního a minimálního proudu LVZ v kolejovém obvodu součinitelem přetížení přijímače LVZ

k LVZp =

I 1LVZmax k u( + ) A = A 22 + 12 I 2LVZmin k u( − ) Ze

(4-47)

Na tyto poměry musí být dimenzován přijímač LVZ, aby nedocházelo ke zkreslení přenosu vlivem dynamiky přenášeného signálu. Zvláštní situace nastane při pohybu dvou přijímačů LVZ v jednom kolejovém obvodu .K tomu může dojít např. jízdou druhého vlaku do obsazeného kolejového obvodu na permisivní návěst "stůj". V takovém případě je nežádoucí aby druhý vlak přijímal signál určený vlaku prvnímu. Budeme-li působení vlaků považovat za bodové šunty, můžeme situaci z obr. 4-14 posoudit podle ekvivalentního náhradního schéma na obr. 4-15. Z něj můžeme stanovit velikost proudu Is2 pod snímači druhého vlaku v závislosti na z, y a dále v závislosti na poloze obou šuntů x1, x2 a také na skutečných hodnotách obou Rs2. Zjednodušeně za vlakových šuntů Rs1, nejnepříznivější případ pro falešný příjem kódu určeného prvnímu vlaku (se šuntem Rs1) vlakem druhým (se šuntem Rs2) lze považovat : • minimální hodnoty z a y, • minimální hodnota Rs2 = 0, Obr. 4-14 • maximální hodnota Rs1 = Rsn = 0,06 Ω, • maximální napájecí napětí.

Obr. 4-15

Obr. 4-16 Náhradní schéma se pak zjednoduší podle obr. 4-16 a proud pod snímači druhého vlaku bude

U emax

I s2 = Z e + z ⋅ x 2+ +

z( x 2 − x 1 )(Z e + z ⋅ x 1 )

. (4-48)

0,06

Pokud by proud IS2 překročil citlivost zařízení LVZ, bylo by nebezpečí příjmu falešného signálu reálné. Na obr. 4-17 je uveden průběh proudu IS2 pro dvoupásový obvod 75 Hz, délky 1,5 km, se stykovými transformátory DT 0,2 a relé DSŠ 12, kde parametrem křivek je poloha prvního šuntu. Obrázek ukazuje, že bude-li první vlak v jisté vzdálenosti x1 od napájecího konce kolejového obvodu, bude druhý vlak, vjedoucí

45

do obvodu na přijímačovém konci v místě x = 1,5 km, dostávat signál IS2 s úrovní nepřekračující příslušnou křivku x1. Bezprostředně po vstupu do kolejového obvodu tyto hodnoty nepřekračují 1 A a tedy při citlivosti VZ u ČD (1,8 A) alespoň po určitou dobu zůstane druhý vlak bez přenosu kódu. Teprve přiblíží - li se k prvnímu vlaku, hrozí nebezpečí, že druhý vlak začne přijímat kód, který přísluší vlaku prvnímu. Na to je možné reagovat buď administrativním opatřením (u ČD např. předpisem pro strojvedoucího, aby po ztrátě přenosu nebral obnovený přenos na vědomí do doby, než bude potvrzen u dalšího návěstidla souhlasným znakem návěstidla v poloze dovolující jízdu) nebo technickými prostředky (např. snížením citlivosti přijímače LVZ až do příjmu signálu odpovídajícího situaci popsané u administrativního opatření).

14.00

12.00 x1 = 0 km 10.00

Is2 (A)

8.00 x1 = 0,5 km 6.00 x1 = 1,0 km x1 = 1,2 km 4.00

2.00

0.00 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

X (km)

Obr. 4-17

46

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

5 5.1

SYNTÉZA VLIV ZAKONČOVACÍCH IMPEDANCÍ

5.1.1 Hledisko volného stavu Uvažme volný kolejový obvod podle náhradního schéma z obr. 5-1. Ve volném stavu je podstatou dopravit kolejovým obvodem ze zdroje do přijímače dostatečný příkon a to s co nejmenšími ztrátami po cestě. Konstruktér má možnost ovlivnit tyto záležitosti především při přechodech mezi vlastním vedením a výstrojí (na obou stranách) a na výstupu přijímacího čtyřpólu. Postačí si Obr. 5-1 uvědomit, že zdroj s vnitřní impedancí Zi předá spotřebiči s impedancí Zs maximum výkonu budou-li obě impedance komplexně sdružené a že aplikací Théveninova teorému lze jakýkoliv zdroj popsat také jako ideální zdroj napětí se sériovou (vnitřní) impedancí a jakýkoliv spotřebič nahradit jedinou impedancí. Postupnou aplikací se tak lze v bodech 1-2, 3-4, 5-6 přesvědčit, jak se v těchto konstrukčních švech (moderněji „interfaces“) daří poučku o maximu předaného výkonu při reálné konstrukci naplnit. Uvážíme-li však dlouhý kolejový obvod při maximálním svodu (a právě tato situace je z hlediska volného stavu rozhodující), bude se jeho vstupní impedance (Z1 nebo Z´2), do značné míry nezávisle na zakončovací impedanci (Z2 nebo Ze), blížit charakteristické impedanci vedení, což je při všech reálně použitých frekvencích cca Z0∠35°. To znamená že optimální impedance Z2 a Ze z hlediska účinnosti přenosu by měly být cca Z0∠-35°. Pokud takovéto zakončovací impedance nebudou vhodné z jiných hledisek (a v následující kapitole se skutečně projeví, že tyto impedance nejsou z hlediska šuntové citlivosti výhodné), je možné ovlivnit charakteristickou impedanci kolejového vedení. Příkladem takového zásahu může být kapacitní kompenzace použitá firmou CSEE u kolejového obvodu UM 71. Z upraveného vztahu pro charakteristickou impedanci

Z0 =

R + jωL = G + jωC

z , y + jωC

je zřejmé, že výrazným zvětšením hodnoty C (v závislosti na maximálně povoleném svodu) lze zmenšit obvykle kladný argument charakteristické impedance, nebo jej přímo převrátit na záporný. Tato úprava je prakticky realizovatelná při vyšších kmitočtech a nižším dovoleném svodu. Na potřebném příkonu se samozřejmě projeví i útlum jednotlivých částí konstrukce obvodu napájecího konce, přijímačového konce a vlastního vedení. Pro útlum vedení lze obecně odvodit [5]

β=

(

)

1 1 RG − ω 2 LC + 2 2

(R

2

)(

)

+ ω 2 L2 G 2 + ω 2 C 2 (5-1)

Na obr. 5-2 je graf funkce β = f(C) pro čtyři různá kolejová vedení, který ukazuje příznivý vliv zvětšení příčné kapacitance na útlum vedení.

47

4

3.5

3

b [Np/km]

2.5

2.5 kHz, 1 S/km

2

2.5 kHz, 0.5 S/km

1.5 275 Hz, 1 S/km 1

0.5

75 Hz, 1 S/km

0 0

1000

2000

3000

4000

5000 C [mF/km]

6000

7000

8000

9000

10000

Obr. 5-2

5.1.2 Hledisko šuntovaného stavu Vztahy (4-36) a (4-39) jsou nepochybně vhodné pro analýzu konkrétního kolejového obvodu. Jejich využití pro obecné úvahy o vhodnosti zakončovacích impedancí brání část vztahující se k podílu změny fáze na šuntové citlivosti

cos Δϕ s cos( Δϕ + Δϕ zs ) = cos Δϕ cos Δϕ

(5-1)

Tento výraz se bude, za předpokladu stejného směru fázových odchylek Δϕ a Δϕzs , zmenšovat s rostoucí odchylkou Ipr od Ipid. Zvětšování odchylky Δϕ však nelze obecně považovat za správný prostředek k zlepšení např. šuntové citlivosti, protože sebou nese i řadu nepříznivých vlivů. Hlavní z nich jsou velká energetická spotřeba kolejového obvodu a velká odezva na malou změnu parametrů výstroje kolejového obvodu. Proto je obecné sledování vlivu zakončovacích impedancí na jednotlivé stavy kolejových obvodů účelnější při Δϕ = 0. Protože ani uvažování tolerancí nemá v tomto případě smysl (jejich určení bude možné teprve na základě úplného konstrukčního návrhu), původní vztahy se zjednoduší na

k vr ≥

max Z a y,z

min

Z as cos(ϕ Za − ϕ Zas )

(5-2)

y,z,R s ,x

Tento výraz lze vyčíslit a např. graficky zpracovat pro zvolené hodnoty Z2 a Ze. Tak např. na obr. 5-3 je zachycena závislost ks jako funkce modulu zakončovacích impedancí Zu = Z2 = Ze pro různé argumenty impedance Zu v klasickém paralelním kolejovém obvodu s izolovanými styky, při délce 1.5 km, šuntu 0,1 Ω, frekvenci 75 Hz a svodu 1 S/km. Bude-li v navrhovaném obvodu např. kvr = 0,3 bude šuntová citlivost obvodu lepší než 0,1 Ω, pokud se vyberou zakončovací impedance na čarách grafu pod přímkou ks = kvr = 0,3.

48

1.1

Rs = 0.1Ω 0.9

0.7

ks

-90° 0.5

-45° 0°

0.3

+45° +90°

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

-0.1 Zu [Ω]

Obr. 5-3

5.1.3 Hledisko havarijního stavu Zcela analogicky k šuntovanému stavu lze pro havarijní stav dospět k výrazu

k vr ≥

max Za y,z

Zah min cos(ϕ Za − ϕ Zah )

,

(5-3)

y,z,x

který lze opět vyčíslit a graficky zpracovat pro zvolené hodnoty Z2 a Ze. Na obr. 5-4 je zakreslena závislost kh jako funkce modulu zakončovacích impedancí Zu obdobně jako v předchozím případě pro šuntovaný stav.

5.2

METODIKA SYNTÉZY A OPTIMALIZACE

Rozbor vlivu zakončovacích impedancí na uvažovanou strukturu kolejového obvodu podle předchozí kapitoly může poskytnout orientaci o oblastech, v nichž se bude třeba při konstrukci nového obvodu pohybovat. Různými modifikacemi uvedených grafů (grafy ks , kh = f(l) s parametry frekvence nebo Zu , ϕZu , kombinace grafů obou funkcí vzájemným podmiňováním, vyšetřování případů s rozdílnými zakončeními na přijímacím a napájecím konci atd.) lze získat velmi instruktivní materiál o oboru vhodných zakončovacích impedancí. Vlastní syntéza nového obvodu bude ale založena na opakované analýze stále konkrétnějšího konstrukčního návrhu. Při těchto analýzách je třeba, navíc k hlediskům uvedeným v předchozích odstavcích, respektovat řadu hledisek přídavných a to třeba i s přihlédnutím k specifickým účelům, k nimž má nový obvod sloužit. V souhrnu obvykle půjde o: • požadovaný maximální svod, • požadovanou šuntovou citlivost, • citlivost na lom koleje nebo vyjmutí koleje,

49

• • • • • • • •

požadovaná rezerva pro cizí vlivy, požadovaná rezerva na tolerance součástek, co nejnižší příkon ve volném stavu, dodržení požadované minimální velikosti proudu kolejnicemi pro LVZ, limitace příkonu a proudu kolejnicemi pro LVZ při šuntovaném (zkratovaném) stavu, omezení přetížení přijímače, požadovaná úroveň fritovacího napětí, další specifická hlediska.

0.6

0.5

0.4

+90°

kh

0° +45° 0.3

-45° 0.2

-90°

0.1

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

Zu [Ω]

Obr. 5-4

V podmínkách ČD je řada těchto veličin normována, což ovšem nemůže zbavit konstruktéra nového obvodu povinnosti kritického zhodnocení těchto veličin a povinnosti snažit se o dosažení co nejlepších parametrů. Objeví se přitom problém porovnávání nesouměřitelných veličin: Nmax , ks , kh atd. To, kterou veličinu a v jaké míře je třeba preferovat, je tím skutečným uměním konstrukce kolejového obvodu: musí být co nejlépe vyváženy tak, aby odpovídaly poměrům, do kterých je kolejový obvod určen. Je třeba mít na zřeteli, že zlepšení jednoho parametru má většinou za následek zhoršení jiného. (Z tohoto pohledu je ostatně nutné velmi opatrně přistupovat k různým materiálům reklamní povahy, které nekriticky vyzvedávají určitou přednost.)

50

6

SPECIÁLNÍ DRUHY KOLEJOVÝCH OBVODŮ

V části 4 a 5 jsme uváděli vztahy obecně platné pro paralelní kolejové obvody, kurzívou pak doplňky pro klasické přímé kolejové obvody s izolovanými styky. V této části uvádíme zvláštnosti, s kterými je třeba se vypořádat při výpočtu konkrétních typů kolejových obvodů.

6.1

ROZVĚTVENÉ OBVODY

Rozvětvené kolejové obvody (RKO) jsou oproti přímým kolejovým obvodům navíc charakterizovány počtem odbočných větví, místy jejich připojení (za taková místa obvykle zjednodušeně považujeme srdcovky), délkou odbočných větví a výstrojí odbočných větví. Náhradní schéma nejjednoduššího RKO je na obr. 6-1. Odbočná větev l2 může být ponechána bez výstroje, může být vybavena přídavným přijímačem obdobně jako větev hlavní nebo může mít jinou výstroj. Je samozřejmě možné odbočné větve za pomoci lanových propojek zapojit do série s větví hlavní. Příklad takového uspořádání je na obr. 6-2. Obr. 6-1 Takový kolejový obvod lze pak posuzovat jako přímý kolejový obvod. Nevýhodou tohoto řešení při elektrické trakci jsou dlouhé lanové propojky, které musí být dimenzovány na trakční proud a problémy s vhodným umístěním stykového transformátoru, protože elektrické konce obvodu se často nekryjí s hranicí sousedního obvodu. V případě podle obr. 6-2 a) budou propojovací lana značně dlouhá, v případě obr. 6-2b) ale bude reléový konec na nevhodném místě. (Na obrázku nakreslené šipky směrem ke kolejovému obvodu označují místa připojení napájení a šipky směrem od kolejového obvodu místa připojení přijímače.)

Obr. 6-2 V případě volné odbočné větve se při výpočtu volného stavu vychází z náhradního schématu na obr. 6-3, kde Zod je vstupní impedance úseku vedení o délce l2, zakončeného naprázdno. Tato náhradní impedance Zod se umisťuje do místa odbočení X, za které se obvykle považuje srdcovka. Přiložení šuntu RS na volné odbočné Obr. 6-3 větvi bude na hlavní větev kolejového obvodu (l) působit stejně, jako přiložení

51

šuntu Zods v místě odbočení X, kde Zods je vstupní impedance šuntované odbočné větve. Obecně by bylo třeba nalézt takovou kritickou hodnotu impedance Zods , která při uvážení možných změn hodnot y, z, δ a polohy šuntu na odbočné větvi, způsobí minimální přenosovou impedanci v šuntovaném stavu kolejového obvodu. Zjednodušeně se však obvykle uvažuje pouze šunt RS na konci odbočné větve při svodu y = 0 v celém kolejovém obvodě. Pak při šuntu v hlavní větvi se předpokládá Zod = ∞ a při šuntu na konci odbočné větve je (viz obr. 6-4)

Z ods = z max ⋅ l 2 + R s Při přerušení kolejového vedení ve volné odbočné větvi (havarijní stav odbočné větve) dojde vlastně k jejímu zkrácení a tak šunt za přerušením nebude registrován. Je-li odbočná větev vybavena přijímačem stejně jako větev hlavní, uvažuje se při výpočtu volného stavu odbočná větev opět pouze náhradní impedancí Zod, stanovenou však tentokrát jako vstupní impedance odbočného vedení, zakončeného příslušnou výstrojí. Po stanovení napájecího napětí pro přijímač v hlavní větvi se kontroluje jeho vhodnost i pro přijímač v odbočné větvi. V extrémních případech je možné výstroj reléového konce odbočné větve modifikovat. Právě tak je Obr. 6-4 možné modifikovat výstroj pro úsporu stykových transformátorů a pod. Šunt se ověřuje v každé větvi zvlášť, přičemž větve ostatní se opět uvažují pouze jako pasivní zátěž v bodě X, ovšem s respektováním změn podle z, y a δ. Ve společných částech obvodu postačí, projeví-li dostatečnou šuntovou citlivost alespoň jeden přijímač. Výsledný stav kolejového obvodu pak udává společný opakovač všech jeho přijímačů. Obecně lze konstatovat, že dosažení dobré šuntové citlivosti u RKO s přijímači i na odbočných větvích je ve srovnání s RKO s volnými větvemi obtížnější, zato však nevznikají problémy s havarijním stavem, který lze ověřovat analogicky pro jednotlivé větve jako u přímých kolejových obvodů. Mezi nezanedbatelné nevýhody řešení rozvětvených kolejových obvodů pomocí více přijímačů patří zvýšené investiční náklady (např. další stykový transformátor, další vedení k přídavným reléovým koncům, prostor pro umístění další výstroje). Nevýhody předchozích řešení vedou ke snaze zajistit kontrolu odbočné větve výhodnějším způsobem. V některých případech může být vhodným řešením připojení takové předzátěže na vedlejší větev, která neohrozí šuntovou citlivost kolejového obvodu, ale její odpojení (např. přerušením kolejového vedení odbočné větve) zaručeně způsobí odpad přijímače v hlavní větvi. Příklad takového uspořádání je na obr. 6-5, kde předzátěž odbočné větve je tvořena transformátorem a kondensátorem. Impedance Z´2 rozhodujícím způsobem ovlivňuje fázové poměry na fázově citlivém přijímači. Výpočet je v zásadě stejný jako u obvodů s volnými větvemi, s respektováním impedance Z´od a jejími změnami při šuntování Obr. 6-5 odbočné větve. Navíc je třeba ovšem ověřit tolerance výstroje na vedlejší větvi, včetně poruchových situací (např. částečné a úplné odpojení kondensátorů). Připomeňme, že uvedené řešení patří vlastně mezi kolejové obvody s traťovým měničem, zmíněné v 1. kapitole (tentokrát ovšem nejde o měnič frekvence ale fáze) a přes řadu pokusů nebylo dosud u ČD dovedeno do prakticky realizovatelné podoby. Ještě jednodušší řešení představuje řešení používané u SNCF. Řešení spočívá v propojení konců „volné“ odbočné větve s koncem větve hlavní. Odbočná větev s délkou maximálně 100 m je pak připojena paralelně k části větve hlavní, což zajistí šuntování na odbočné větvi i při jejím přerušení. Pro případ

52

vícenásobného přerušení odbočné větve je při délce odbočné větve větší než 50 m zřizováno ještě obdobné propojení uprostřed, jak je naznačeno na obr. 6-5a. Je evidentní, že při takovém uspořádání nebudou registrovány přerušení kolejí (lomy, odpadlé propojky) v částech paralelně zapojených a že konstrukce obvodu musí počítat s příslušně nižší podélnou impedancí, zato šuntová citlivost bude i na vedlejší větvi zajištěna s vysokou pravděpodobností. Stojí za úvahu, zda by nebylo účelné toto řešení aplikovat pro některé případy i na jiných kolejových obvodech ČD, např. při pojíždění odbočné větve rychlostí do 40 km/h. max 100m

Obr. 6-5a

6.2

NEOHRANIČENÉ OBVODY

Budou-li k napájecímu a reléovému konci samostatného neohraničeného kolejového obvodu podle obr. 6-6 přiléhat tak dlouhé kolejové úseky, že je možné je elektricky nahradit vlnovou impedancí, změní se

Obr. 6-6 ekvivalentní náhradní schéma kolejového obvodu z obr. 4-3 na obr. 6-7. Zahrneme-li obě vlnové impedance Z0 a dvojbran vlastního kolejového vedení A do nového dvojbranu A0, můžeme se při výpočtech přidržovat všech vztahů odvozených pro klasické obvody. Kaskádní matice nového dvojbranu A0 bude

⎡ 1

[ A ] = ⎢⎢ 1 0

⎣Z0

0⎤ ⎡ 1 ⎥ × [ A] × ⎢ 1 1⎥ ⎢Z ⎦ ⎣ 0

0⎤ ⎥ 1⎥ ⎦ Obr. 6-7

Odtud snadno odvodíme prvky kaskádní matice A0

A 011 = A 022 = cosh γl + sinhγl , 2 A 021 = (cosh γl + sinhγl) . Z0

A 012 = Z 0 ⋅ sinhγl

Obdobně lze řešit situace s jednostranným nebo částečným ohraničením izolovaným stykem.

53

Reálnější je případ, kdy NKO sousedí s dalšími obvody a je napájený uprostřed. Tento případ zachycuje náhradní schéma na obr. 6-8. Impedance Z´2 zde představuje vstupní impedanci pokračujícího kolejového vedení vně obvodu včetně výstroje vně obvodu (např. výstroj reléových konců sousedních

Obr. 6-8 obvodů), Zp a Ap představují výstroj reléových konců vlastního obvodu. Pro výpočet např. pravé poloviny vlastního kolejového obvodu je možné celou levou část obvodu nahradit impedancí Z1. Náhradní schéma z obr. 6-8 se tak změní na schéma z obr. 6-9. I toto náhradní schéma by bylo možné převést na ekvivalentní náhradní schéma postupem uvedeným v kapitole 4.1., ovšem bez příslušného efektu. Součinitele napětí a proudu χu a

χip budou totiž v tomto případě funkcí svodu y a proto budou odlišné ve volném, šuntovaném a havarijním stavu. Je tedy nutné vycházet při výpočtech ze vztahů (3-36) a (3-39), odvozených z přenosových impedancí skutečného a nikoliv ekvivalentního obvodu. Obr. 6-9

Při vyšetřování příslušných maximálních a minimálních přenosových impedancí se vychází z vhodného náhradního schématu podle konstrukce obvodu a při posuzování vlivu tolerancí výstroje δ je třeba pamatovat i na možnost poruch výstroje a kolejového vedení vně vlastního kolejového obvodu. Odpojení části výstroje sousedního obvodu nebo i celého navazujícího kolejového vedení (např. vlivem lomu kolejnice vně vlastního obvodu) může zcela reálně vést ke zmenšení hodnoty Zas a tím k ovlivnění šuntové citlivosti vlastního kolejového obvodu. Naproti tomu vyšetřování obdobné situace v havarijním stavu by znamenalo již uvažování současného výskytu dvou poruch; to nebude nutné v případě, že kterákoliv první porucha bude dostatečně rychle a účinně identifikována.

6.3

OBVODY S ELEKTRICKÝMI STYKY Příklad náhradního schématu kolejového obvodu s elektrickými styky (ESKO) je na obr. 6-10. K

Obr. 6-10

54

vymezení účinné délky ESKO napomáhá vytvoření soustředěné podélné impedance ZSP a příčného impedančního šuntu ZZP na hranici obvodu. Tyto impedance omezují odvod proudu z vlastního kolejového obvodu a tlumí účinek šuntu vně obvodu. I obvody ESKO lze konstruovat jako obvodu napájené uprostřed. Při výpočtech se vychází opět z maximálních a minimálních hodnot přenosových impedancí včetně možných poruch vlastní výstroje, elektrických styků, sousedícího kolejového vedení a výstroje sousedících obvodů. Vztahy (3-36) a (3-39) plně platí i pro ESKO. Předpokladem úspěšné konstrukce tohoto typu kolejového obvodu je velmi dobrý izolační stav kolejiště a velmi dobrá provozní symetrie trakčních proudů v kolejnicích. Všechny okolnosti vedou k využívání signálních kmitočtů (různých jak v sousedních, tak i souběžných obvodech) v oblasti jednotek kHz (pro staniční obvody i výše), s frekvenčním klíčováním v oblasti desítek až stovek Hz.

6.4

SÉRIOVÉ OBVODY

Typické schéma střídavého sériového kolejového obvodu je na obr. 6-11. Vzhledem k svému účelu bývá délka těchto obvodů obvykle omezena na cca 25 m. Při výpočtu je možné podélnou impedanci kolejového vedení zanedbat, nebo ji přičíst k šuntu. Příčný svod vedení se obvykle oprávněně uvažuje jako soustředěný svodový odpor Rb úseku koleje o délce l.

Obr. 6-11 Ve volném stavu protéká přijímačem proud Ipr, jehož velikost je nepřímo úměrná vstupní impedanci výstroje kolejového obvodu (na svorkách zdroje) Zpr. V šuntovaném stavu bude přijímačem protékat proud Ips, který je nepřímo úměrný vstupní impedanci kolejového obvodu v šuntovaném stavu Zps. Vzhledem k inverzní funkci obvodu (ve srovnání s paralelním kolejovým obvodem) zavedeme součinitel šuntovaného stavu sériových obvodů (předpokládáme fázově necitlivý přijímač)

k ′s =

I pr I ps

=

Z ps Z pr

(6-1)

kde (při ideálním transformátoru TR)

Z pr = Z p + R T + n 2 ( R k + R b )

⎛ R ⋅R ⎞ Z ps = Z p + R T + n 2 ⎜ R k + s b ⎟ . Rs + Rb ⎠ ⎝ Nyní už analogicky se vztahem (4-26) lze zavést

55

max Z ps k vr ≥ max k ′s =

R b ,R s ,δ

min Z pr R b ,δ

Zjednodušeně lze maximální hodnotu impedance Zps stanovit při Rb blížícím se ∞ a minimální hodnotu impedance Zpr při minimální hodnotě svodového odporu Rb min. Pak platí

(

)

min Z pr = Z p + R T + n 2 R k + n 2 R bmin

(

)

max Z ps = Z p + R T + n 2 R k + n 2 R s

a pro spolehlivou funkci obvodu pak musí platit

k vr ≥ max k ′s =

(Z

(Z

p

p

)

+ RT + n2R k + n2Rs

)

+ R T + n 2 R k + n 2 R bmin

(6-2)

Z výrazu (6-2) je patrné, že poměr impedancí ks´ bude pro dané hodnoty Rs a Rb min nejvýraznější (a tedy nejpříznivější) budou-li všechny odpory řazené v sérii s odpory Rs a Rb min (Zp, RT, Rk) co nejmenší a všechny případné paralelní odpory (magnetizační impedance transformátoru TR) co největší. Ze vztahu (6-2) lze naopak pro konkrétní hodnotu Rs a určitou konstrukci určit minimální hodnotu svodového odporu Rb min , při níž lze ještě kolejový obvod spolehlivě provozovat. Za předpokladu, že se všechny impedance v obvodu blíží reálným hodnotám, platí

R b min ≥

Zp + R T ⎛ 1 ⎞ R + Rs − 1⎟ + k − Rk ⎜ 2 k vr n ⎝ k vr ⎠

(6-3)

Poklesne-li svodový odpor v kolejnicích pod tuto hodnotu, je reálné nebezpečí, že relé při uvolnění obvodu neodpadne a bude obvod trvale hlásit jako obsazený. Napájecí napětí kolejového obvodu je třeba volit tak, aby při šuntu došlo k spolehlivému přítahu relé. Opět analogicky k výrazu (4-12) musí platit

U nom = max Z ps R b , R s ,δ

kp ⋅ Ip

(6-4)

k u( −)

V sériových kolejových obvodech se obvykle požaduje spolehlivá funkce při Rs = 0,5 Ω, Rb min = 5 až 10 Ω při délce kolejového obvodu 20 - 30 m. Tyto hodnoty jsou splnitelné při umístění transformátoru TR v kolejišti. V obvodech bez transformátoru v kolejišti jsou (v závislosti na vzdálenosti výstroje od kolejiště) obvyklejší hodnoty Rb min = 30 - 100 Ω. Často se objevují v sériových obvodech zapojení s paralelním řazením odporu k přijímači (obr. 6-12). Jedná se o úpravu parametrů původního relé s impedancí Zp a proudem přítahu Ip na parametry

Z p′ = Obr. 6-12

Zp ⋅ R p Zp + R p

⎛ Zp ⎞ ⎟ I p′ = I p ⎜⎜ 1 + R p ⎟⎠ ⎝

Technicky výhodnější je ovšem přímé přizpůsobení přijímače např. úpravou cívky relé. U sériových obvodů pro spádoviště se totiž klade důraz i na rychlost reakce kolejového obvodu na obsazení a uvolnění a paralelní odpor u relé může tuto reakci zpozdit.

56

7

RUŠIVÉ VLIVY

Kolejnice železničního svršku jsou sdíleny řadou elektrických systémů - trakčním napájecím systémem, systémy elektrického vytápění osobních vozů vlakových souprav, systémy centrálního napájení vozů elektrickou energií, systémy kolejových obvodů atd. Jejich vzájemné ovlivňování plyne především z galvanického propojení zmíněných systémů. Nesouměřitelnost přenášených výkonů znevýhodňuje kolejové obvody. Obecně lze podle důsledku dělit vlivy na nebezpečné (při nichž vznikají napětí a proudy nebezpečné pro údržbu, popř. připojená zařízení), rušivé (jejichž účinkem vznikají napětí a proudy, které zhoršují jakost přenášených signálů) a ohrožující (které svými druhotnými účinky mohou způsobit stav ohrožení osob a zařízení). V případě kolejových obvodů jsou nejzávažnější ohrožující vlivy, které se, na rozdíl od vlivů rušivých, nemusí projevit znemožněním funkce navazujících systémů (určitou funkci – např. přenos signálu naopak mohou podporovat) ale přitom znemožní bezpečné vyhodnocení šuntovaného stavu. Tyto vlivy jsou v provozu těžko identifikovatelné a proto je nutné jim předcházet. S kolejnicemi, jako se zpětným vodičem trakčního systému, se z důvodu ochrany před nebezpečným dotykovým napětím nebo pro omezení negativních vlivů bludných proudů, spojují (tzv. ukolejňují) další zařízení či konstrukce. Veškerá tato připojení mohou být zdrojem dalších cizích elektrických galvanických vlivů. Pokud však tato připojení mají nízký odpor k zemi, mohou na kolejový obvod působit i pasivně - změnou impedančních poměrů v kolejovém obvodu či v celém systému kolejových obvodů. Právě tyto faktory ale rozhodujícím způsobem určují míru, s níž se cizí elektrické vlivy mohou v kolejovém obvodu uplatnit. Opět obecně lze tedy rozlišovat mechanizmus vlivů aktivních a vlivů pasivních. Kromě toho všechna vedení kolejového obvodu (vlastní kolejové vedení, vedení k napájecímu a přijímacímu konci kolejového obvodu, případné vedení mezi zdrojem referenčního napětí a fázově citlivým přijímačem) jsou vystavena indukčním vlivům elektromagnetických polí. Zde stojí za pozornost zejména veškerá s tratí více či méně souběžná elektroenergetická vedení, ale také elektromagnetická pole vznikající v blízkosti trakčních spotřebičů (zejména hnacích vozidel) a, při extrémní blízkosti a velkém výkonu, např. i rádiové vysílače. Aktivní vlivy lze tedy (opět obecně) dělit na vlivy galvanické, indukční a kapacitní. U vlastního kolejového vedení kolejových obvodů se kapacitní vlivy obvykle neuvažují vzhledem k malé vzdálenosti vedení od země, u ostatních vedení se neuvažují vzhledem k dnes výhradnímu používání kabelů.

7.1

PŮSOBENÍ VLIVŮ

Mechanizmus, kterým cizí vlivy na kolejové obvody působí, se výrazně liší podle konfigurace a stavu kolejového obvodu a typu zdroje rušení.

7.1.1 Galvanický vliv trakčního proudu

Jednopásové obvody Na obr.7-1 se trakční proud Ir , protékající kolejovým obvodem, rozdělí na část It (protékající trakční kolejnicí) a část Is (protékající signální kolejnicí a také výstrojí napájecího konce N a přijímacího konce P kolejového obvodu). Velikost proudu Is bude (se zanedbáním odporu šuntu)

Is = I t

Zt , ΣZ

kde: Is .... It ....

je proud signální kolejnicí a tím i přijímacím koncem kolejového obvodu [A], je proud trakční kolejnicí [A],

57

Zt ... ΣZ ...

je podélná impedance zpětného trakčního vedení (trakční kolejnice) v délce kolejového obvodu, nebo, v případě šuntu, mezi přijímacím koncem a šuntem [Ω], je impedance obvodu tvořeného signální kolejnicí a oběma zakončovacími impedancemi nebo, v případě šuntu, zakončovací impedancí reléového konce a podélnou impedancí signální kolejnice mezi přijímacím koncem a šuntem [Ω].

It Ir

Ir

Ur

Is Is

Is

Z2 N

P Obr. 7-1

Uvážíme-li zjednodušené náhradní schéma při šuntu na napájecím konci (obr. 7-2), kdy vliv bude v reálných případech největší, pak pro maximální napětí na přijímačovém konci kolejového vedení, způsobené proudem Ir , můžeme psát

Ir

It

Zt

Is

Zs

Z2 Ur

Obr. 7-2

U r max ≅ I r ⋅ Z 2

zt ⋅ l , zt ⋅ l + zs ⋅ l + Z2

kde: Urmax .. Ir .... zt ... zs ... l ... Z2 ...

je maximální vlivové napětí na kolejnicích na přijímacím konci kolejového obvodu [V] je celkový ovlivňující proud tekoucí kolejovým obvodem [A], představuje měrnou podélnou impedanci trakční kolejnice (Zt = zt.l) [Ω/km], představuje měrnou podélnou impedanci signální kolejnice (Zs = zs.l) [Ω/km], je délka kolejového obvodu nebo vzdálenost šuntu od přijímače [km], představuje impedanci přijímacího konce kolejového obvodu ze strany kolejnic [Ω].

Pokud

Z2 » | z t . l + z s . l | , což je u reálných obvodů často splněno díky vysokému tlumícímu odporu na přijímacím konci, pak

58

U r max ≅ I r ⋅ z t ⋅ l . To odpovídá zjednodušenému pohledu, že u jednopásových kolejových obvodů je přijímací konec ovlivňován úbytkem napětí, vzniklým průtokem trakčního proudu trakční kolejnicí. Při přerušení signální kolejnice lze vliv zanedbat, zatím co při přerušení trakční kolejnice by celý trakční proud protékal napájecí a přijímací výstrojí kolejového obvodu. U ČD je ale vyloučeno použití jednopásového kolejového obvodu v místech, kde by tvořil jedinou cestu pro průtok zpětného trakčního proudu - vždy je k disposici alternativní cesta, např. dalším souběžným kolejovým obvodem. Pak stačí vzít v úvahu hodnotu zt pro nejnepříznivější konfiguraci, což je ve většině případů právě podélná impedance jedné kolejnice v nejdelším možném kolejovém obvodu. Situaci při selhání (přerušení) i paralelních cest odvodu trakčního proudu řeší proudová ochrana výstroje - tedy pojistky v kolejovém obvodu, co nejblíže ke kolejím.

Dvoupásové obvody U dvoupásového obvodu (obr. 7-3) ovlivňující trakční proud Ir přitéká do kolejového obvodu středem stykového transformátoru ST, na jehož sekundárním vinutí je připojena výstroj napájecího nebo přijímacího konce kolejového obvodu. Výstroj přijímacího konce představuje impedanci Z2 , impedance Zvst představuje zpětnou impedanci kolejového obvodu (popř. včetně šuntu) ze strany přijímacího konce. Představíme-li si nyní stykový transformátor jako ideální transformátor s vyvedeným středem na primáru a převodem 1 : 1, zatímco vlastnosti skutečného stykového transformátoru (převod, magnetizační impedance, rozptyl) jsou zahrnuty do impedance přijímacího konce Z2 , platí pro analýzu vlivů trakčního proudu v kolejovém obvodu náhradní schéma z obr. 7-4.

ST

ST

I1

Zvst

Z2

ST

Ir

ST Ir

I2

P

N

P

N

Obr. 7-3

Obr. 7-4

Ovlivňující proud vyvolá na přijímacím konci kolejového vedení ovlivňující napětí Ur , úměrné velikosti rozdílu proudů I1 a I2 , které ale protékají vždy jen jednou polovinou primárního vinutí, zatímco napětí Ur sledujeme na celém primáru. Tedy:

59

Ur =

1 Z vst ⋅ Z 2 (I1 − I 2 ) , 2 Z vst + Z 2

kde : Ur .. I1 , I2 .. Z2 .... Zvst ...

je vlivové napětí na kolejnicích na přijímacím konci kolejového obvodu [V] jsou trakční proudy jednotlivých kolejnicí [A], je zakončovací impedance kolejového vedení na přijímací straně [Ω], je zpětná impedance kolejového obvodu ze strany přijímacího konce [Ω].

Pro většinu dlouhých kolejových obvodů ČD je možné zpětnou impedanci Zvst považovat za vlnovou impedanci kolejového vedení (i v případě šuntu na napájecím konci) a protože v řadě případů je (z jiných důvodů) impedance přijímačového konce také přibližně rovna vlnové impedanci kolejového vedení, lze pro ovlivňující napětí psát přibližný výraz

Ur ≅

1 Z 2 (I1 − I 2 ) , 4

Pokud proudy I1 a I2 budou stejně velké, na přijímači se žádné cizí napětí neobjeví. Za provozně dosažitelnou asymetrii dvoupásového kolejového obvodu, definovanou jako

a=

I1 − I 2 I1 + I 2

⋅100

[% ; A] ,

se považuje a ≤ 10%. K této hodnotě se obvykle přihlíží i při konstrukci obvodů, když se kontroluje, že i při této asymetrii bude zajištěna řádná funkce (např. při změně magnetizační impedance stykových transformátorů při přesycování). Ke zvýšení asymetrie dochází zejména přímým ukolejňováním konstrukcí s nízkým zemním odporem na jednotlivé kolejnicové pasy a závadami v podélné impedanci kolejnic (špatně vodivé propojky na nesvařených kolejnicových pasech, nedokonale vodivá připojení lan stykových transformátorů atd.). Extrémním případem je pak přerušení propojovacího lana ke stykovému transformátoru nebo lom koleje v blízkosti přípojného lana stykového transformátoru na přijímacím konci, kdy celý ovlivňující proud protéká pouze jednou polovinou primárního vinutí stykového transformátoru (obr. 7-5). Na rozdíl od jednopásových obvodů (nebo i obvodů se stykovou tlumivkou) se přes stykový transformátor do výstroje přenese jen střídavá složka trakčního proudu a tak u stejnosměrné trakce nelze spoléhat na proudové ochrany výstroje. Na přijímacím konci kolejového vedení se v takovém případě může objevit, s jistým zjednodušením (je třeba pamatovat na to, že jde o limitu, která zahrnuje i případy, kdy nesymetrie vznikne jinak než prostým přerušením), bez ohledu na přítomnost či nepřítomnost šuntu (Zvst = ∞ ), maximální napětí Urmax dané proudem Ir:

Obr. 7-5

60

U r max ≅

1 Z2 Ir , 2

kde : Urmax .. je maximální ovlivňující napětí mezi kolejnicemi na přijímacím konci kolejového obvodu [V], Ir je trakční proud [A], Z2 .... je zakončovací impedance kolejového vedení na přijímací straně [Ω].

7.1.2 Galvanický vliv topného proudu

Jednopásové obvody U jednopásových kolejových obvodů při elektrickém topení není nutné uvažovat s úbytkem napětí na trakční kolejnici - je možné uvažovat s přítomností šuntu, ale nelze uvažovat propojení zpětného topného proudu přes kostry vozidel, protože to je nestabilní. Impedance přijímacího konce je tedy šuntována vlakovým šuntem (s hodnotou mezního vlakového šuntu Rš = 0,1 Ω. Za nejnepříznivějšího stavu, kdy celá hodnota šuntovacího odporu je soustředěna na jednom (nepříznivém - na obr. 7-6 např. levém horním) přechodu kolo-kolejnice, ovlivňující napětí na přijímacím konci (na straně kolejnic) může dosáhnout maximálně hodnoty :

S

Ir

G Z2

Ir

Rš

Z2

Z2

Obr. 7-6

U r max =

Z2 ⋅ R š Ir , Z2 + R š

což za běžných okolností, kdy Z2 ›› Rš = 0,1 Ω přejde na tvar

U r max ≅ I r ⋅ R š = 0,1 ⋅ I r . Také v tomto případě lom "trakční" kolejnice u jednopásového obvodu nezpůsobí zvláštní ohrožující vliv, neboť lze spoléhat na proudovou ochranu (pojistky) ve výstroji kolejového obvodu.

61

Dvoupásové obvody V případě dvoupásového kolejového obvodu je nejhorší situace obdobná s případem 100% asymetrie při vedení trakčního proudu (odst. 7.1.1) - šunt rušivého proudu se pro přerušení lana stykového transformátoru také neuplatní.

7.1.3 Indukční vliv Vliv ovlivňujícího vedení na vedení ovlivňované lze obecně popsat [7]:

dI x = Y12 U 1 − yU x dx dU x = − W12 I 1 − zI x dx kde : W12 .. Y12 .. z, y .. U1, I1 ..

je měrná vazební impedance mezi vedením ovlivňujícím a ovlivňovaným, je měrná vazební admitance mezi vedením ovlivňujícím a ovlivňovaným, je měrná podélná impedance a příčná admitance vedení ovlivňovaného (kolejového), je proud a napětí ovlivňujícího vedení v místě souběhu.

Tyto rovnice neuvažují zpětný vliv vedení ovlivňovaného na vedení ovlivňující, předpokládají homogenní vedení a konstantní napětí a proud v ovlivňujícím vedení v celém souběhu. Dále rovnice platí pro ustálený stav při napájení harmonickým střídavým proudem. Platí však pro libovolné uspořádání obou vedení (obvody jednovodičové i vícevodičové), uspořádání je respektováno příslušnými hodnotami vazební admitance a impedance a primárními parametry vedení. Pro řešení vlivů na kolejové vedení je možné zanedbat elektrickou indukci (kapacitní vliv), protože kolejnice leží prakticky na zemi, tedy Y12 = 0. Úplným řešením soustavy diferenciálních rovnic je pak

U x = c 1 ⋅ e γx + c 2 ⋅ e − γx Ix =

⎞ 1 ⎛ W12 ⎜⎜ − I 1 − c 1 ⋅ e γx + c 2 ⋅ e − γx ⎟⎟ . Z⎝ γ ⎠

Konstanty c1 a c2 lze určit z mezních podmínek na počátku a konci vedení. Při detailním sledování vlivů na kolejové obvody bylo třeba zkoumat vliv na jednotlivá vedení, která kolejový obvod tvoří (tj. první kolejnice-zem, druhá kolejnice-zem, kolejnice-kolejnice) a to od všech složek proudu ovlivňujícího vedení (fázových a nulové). Rozbory ukázaly, že problémy lze očekávat zejména u trojfázových vedení s účinně uzemněným nulovým bodem (což jsou v našich podmínkách rozvody zvn, vvn a nn). Dále se ukázalo, že při největších vlivech, způsobovaných vedeními zvn a vvn, pro vzdálenost vedení od kolejí větší než 100 m, činí složka, vzniklá působením jednofázového zkratového proudu na smyčku tvořenou v celém mezistaničním úseku oběma kolejnicovými pasy a zemí, více než 90 % celkového vlivu. S výjimkou velmi těsných souběhů stačí tedy sledovat pouze její působení a ostatní složky je možné zanedbat. Takto indukovaný proud protéká pak soustavou kolejových obvodů stejně jako např. trakční proud a stejným mechanizmem také působí problémy v nesymetrickém kolejovém obvodu. Lze odvodit, že ovlivňující napětí mezi kolejnicemi na přijímacím konci Ur pak bude

λ m U r = ∑ W1 / 2i ⋅ I ni ⋅ l i ⋅ rvi 2 i =1 kde :

62

In W 1/2 l i rV λ

je trojnásobná nulová složka proudu trojfázového vedení při jednofázovém zkratu, je vazební impedance mezi dvěmi jednovodičovými vedeními, je délka souběhu, je index příslušného výpočetního úseku tak, jak jsou známy z výpočtů vlivů ve sdělovací technice, je výsledný redukční činitel, je činitel citlivosti kolejových obvodů, tedy jakási napěťová obdoba dříve uvedeného proudového činitele asymetrie a (obr. 7-7).

Obr. 7-7 Vazební impedance musí být v uvedeném případě stanovena pro vazbu dvou jednovodičových vedení se zpětnou zemí. S využitím např. tzv. Haberlandova vztahu lze pak pro výpočet měrné vzájemné indukčnosti stanovit

⎛ 6 ⋅ 10 5 L1 / 2 = 10 − 4 ⋅ ln⎜⎜1 + 2 ⎝ a ⋅σ⋅f kde : a .. σ .. f ..

⎞ ⎟⎟ [H/km], ⎠

je vzájemná vzdálenost obou vedení [m], je měrná vodivost půdy [S/m], je kmitočet rušivého proudu [Hz].

Pro vazební impedanci pak samozřejmě platí, že W1/2 = ω.L1/2 . Výpočty, potvrzené i měřeními na kolejových obvodech v reálných podmínkách (i s modelovanými zkratovými proudy) v 70tých letech v kooperaci ČD a energetického podniku ČEZ, prokázaly závažné problémy s kompatibilitou kolejových obvodů 50 Hz a energetických rozvodů (zejména zvn a vvn) i při soubězích se vzdáleností větší než 10 km. To vedlo nakonec k zákazu další výstavby kolejových obvodů 50 Hz i při stejnosměrné a nezávislé trakci. Obdobné úvahy lze uvést i pro stanovení vzájemného ovlivnění souběžných kolejových obvodů. Vzájemnou indukčnost mezi dvěmi symetrickými dvoudrátovými vedeními při uvažovaní vlivu země lze určit např. opět z Haberlandova vztahu jako

L12 / 34

kde :

1 1 + ⋅ a 2 ⋅ σ ⋅ f ⋅10 −5 2 ⋅10 − 4 ⋅ a S1 ⋅ a S2 d 2 L1 / 2 2 = ⋅ a S1 ⋅ a S2 = ⋅ 2 2 da a ⎛ 1 2 −5 ⎞ ⎜1 + ⋅ a ⋅ σ ⋅ f ⋅10 ⎟ ⎠ ⎝ 2

aS1, aS2 jsou šířky smyčky dvojvodičových vedení [m], a .. je vzájemná vzdálenost obou vedení [m],

63

σ .. f ..

je měrná vodivost půdy [S/m], je kmitočet rušivého proudu[Hz].

S uvážením vzdálenosti středů kolejí cca 4 m, šířky kolejového vedení cca 1,5 m, vodivosti půdy 0,1 ÷ 0,001 S/m a frekvencí do 20 kHz lze pro kolejové obvody počítat s hodnotou vzájemné indukčnosti cca 0,03 mH/km. Tato vazba u kolejových obvodů v oblasti kHz již nedovoluje pomíjet možnost vzájemného ovlivnění ani dokonale symetrických souběžných kolejových obvodů. Provoz souběžných traťových kolejových obvodů téhož kmitočtu je tím prakticky vyloučen. V železniční praxi ČD se projevil i další druh indukčního vlivu - vliv na zabezpečovací zařízení na vozidle, způsobený trakčními zařízeními a silovými rozvody hnacích vozidel. Byl zaznamenán (přes obvyklé stínění) na vodičích mezi snímači a skříní vlakového zabezpečovače. Obdobný vliv však může působit i přímo na kolejové obvody (obr. 7-8). Tento vliv je velmi úzce spojen s konkrétní konfigurací trakčních obvodů (konkrétní uložení silových vodičů, motorů, měničů, stínění atd.) i konstrukcí kolejových obvodů (vedení přívodních lan, umístění stykových transformátorů atd.).

Obr. 7-8

7.1.4 Ukolejnění Na elektrifikovaných tratích je z důvodu ochrany před nebezpečným dotykovým napětím nutné v prostoru ohrožení trakčním vedením vodivě spojovat s kolejemi všechny neživé části trakčního vedení a další nadzemní vodivé konstrukce. Dále se ke kolejím připojují úložná vodivá zařízení (kabely, potrubí, nosné podzemní nebo mostní konstrukce) při jejich protikorozní ochraně před bludnými proudy (elektrické drenáže). Všechna tato připojení ke kolejím - ukolejnění - mohou způsobit změnu vnějších podmínek činnosti kolejových obvodů. Ke změně může dojít pasivně - změnou struktury a velikosti impedancí kolejového vedení kolejových obvodů - a/nebo aktivně - přivedením cizích rušivých proudů do kolejových obvodů. Pasivní působení je závislé na místě připojení ukolejnění, na velikosti odporu ukolejňovaného objektu vůči zemi či jinému místu a na konfiguraci ostatních ke kolejnicím připojených impedancí. Obecně lze říci jen to, že přímé připojení k jedné kolejnici dvoupásového obvodu způsobuje jeho nesymetrii a tedy zvětšuje jeho citlivost na jakékoliv případné zdroje aktivního rušení. Symetrické připojení ke středu stykového transformátoru znamená snížení impedance tohoto bodu vůči zemi. Oba způsoby ukolejnění mohou přispět k vytvoření obchozí cesty s nedostatečným útlumem. Také pro detekci havarijního stavu kolejového obvodu (detekci lomu kolejnice) je jedním z rozhodujících předpokladů dodržení určité velikosti impedance středu stykového transformátoru vůči zemi [1]. Pokud tato impedance bude nedostatečná (například vlivem přímého připojení konstrukcí s velmi nízkým odporem vůči zemi na středy stykových transformátorů na reléovém i napájecím konci), nebude obvod schopen identifikovat lom kolejnice. Důsledkem neidentifikace havarijního stavu kolejového obvodu může za určitých okolností být i ztráta schopnosti detekce šuntovaného stavu. Potenciálními zdroji aktivního ovlivnění jsou veškerá připojovaná vodivá úložná zařízení, protože jejich prostřednictvím se mohou vyrovnávat zemní potenciály mezi oblastmi, jimiž úložné zařízení probíhá a tak i do kolejí může být přiveden cizí proud. Obdobně, bude-li ukolejňovaná nadzemní vodivá konstrukce spojena s dalším elektrickým zařízením (jiné zařízení než části trakčního obvodu), může být tato konstrukce součástí onoho dalšího elektrického obvodu (nebo se jí stát vlivem poruchy) a být tak zdrojem aktivního ovlivnění. Takový případ by například nastal, když na připojované konstrukci bude upevněno jiné elektrické

64

zařízení než části trakčního obvodu a jeho elektrické obvody budou s konstrukcí záměrně (např. nulování) či poruchou vodivě spojeny. Dovolené způsoby ukolejnění jsou u ČD dány, v závislosti na velikosti jejich zemního odporu, možnosti aktivního působení a použitém typu kolejového obvodu v dané oblasti, normou ČSN 34 26 13.

7.1.5 Obchozí cesty Pokud uvažujeme soustavu kolejových obvodů, např. v mezistaničním úseku podle obr. 7-9, je možné sledovat vzájemné galvanické ovlivňování i relativně vzdálených kolejových obvodů. Nesymetrií (způsobenou v tomto případě naznačeným lomem koleje) se kolejový obvod 2J stal zdrojem rušivého proudu

Ir

1J

Ir

2J

Ir

3J

Ir

4J

Ir

5J

Ir

Ir

Obr. 7-9 Ir, který se v rámci celého mezistaničního systému (uvažujeme, v souladu se skutečností, že stanice představují díky svému rozvětvení relativně nízký odpor vůči zemi) vyrovnává tak, jako např. trakční proud. Ostatní kolejové obvody mohou být tímto proudem ohroženy v případě, že se také v nich vyskytuje nějaká nesymetrie. Nebude-li např. v obvodě 4J proud Ir rozdělen do obou kolejnic stejně, vznikne na jeho přijímači rušivé napětí úměrné rozdílu proudů v jednotlivých kolejnicích. Současně je obvod 4J také zdrojem rušení pro ostatní obvody a obvod 2J je extrémně citlivý na cizí rušivé proudy. Cesty, v nichž se proud Ir může uzavřít, nazýváme obchozími cestami a jsou důsledkem skutečnosti, že vlastní kolejové vedení není dvojbranem s rozprostřenými parametry (jak je obvykle zjednodušeně uvažováno v teorii kolejových obvodů), ale je nutno brát v úvahu také vedení zemí. Uvážíme-li možnost připojení různých konstrukcí přímo ke kolejnicovým pasům, mezikolejová trakční propojení atd., je zřejmé, že obchozí cesty obecně mohou mít různou, podstatně komplikovanější konfiguraci, než je konfigurace na obr. 7-9. Problémy lze očekávat vždy, když připojení ke kolejnicím jsou přímá (bez regenerovatelné průrazky), mají nízký odpor proti zemi, obchozí cesta má malý útlum a kolejové obvody jsou často, z různých důvodů a po dlouhou dobu, nesymetrické. Je evidentní, že proti takovým vlivům nejsou obvody chráněny běžně užívanými ochranami sousedních kolejových obvodů (fázová, frekvenční atd.). Pozn.: V této souvislosti je třeba zmínit zvlášť nepříjemný případ, který nastane při současném lomu koleje ve více, třeba sousedících, kolejových obvodech. V závislosti na tom, které kolejnice se přeruší, může dojít (i přes správné vystřídání fáze v sousedních kolejových obvodech) ke sčítání vlastního (nyní nesymetrického) signálu se signálem sousedního obvodu (nyní také nesymetrickým a proto protékajícím středem stykového transformátoru do sousedního obvodu). V závislosti na konfiguraci celé situace (délce postižených kolejových obvodů, rozmístění napájecích a přijímačových konců, nedostatečném útlumu celé obchozí cesty) může dojít ke stavu, kdy není zajištěn havarijní stav a, následně, ani šuntovaný stav postižených obvodů. Situace se může poněkud zlepšit změnou konfigurace napájecích a přijímačových konců (v závislosti na skutečné velikosti napětí a skutečném natočení fáze na styku kolejových vedení), ale toto opatření nemusí být za všech izolačních stavů a při různých délkách kolejových obvodů úspěšné. Z čistě zabezpečovacího hlediska by nebylo třeba popsaný případ ošetřovat, protože představuje dvě nezávislé poruchy (dva různé lomy koleje), pokud po detekci první poruchy bude neprodleně zahájen opravný proces. Zabezpečovací fundamentalista ovšem může tvrdit, že tento případ může nastat i jednou příčinou – např. současným přerušením více lan vlečenou klanicí vypadlou z vlaku (popř. činností méně přizpůsobivých občanů) – a měl by pravdu, pokud by tak specifický jev (přeruší se pouze určitá lana a jiná ne) nebylo možné považovat za dostatečně nepravděpodobný, aby jej bylo možné zanedbat.

65

Technicky čisté řešení by spočívalo v kolejových obvodech, které samy svou funkcí dohlíží na to, že se v kolejovém obvodu nevyskytuje nadměrná asymetrie. Takové řešení je možné a dokonce je provozováno (např. u FS), ovšem za cenu podstatně zvýšených investičních nákladů a to nejen do kolejových obvodů, protože pak je třeba učinit i další technická opatření, která provozní symetrii kolejových obvodů za všech provozních stavů skutečně zajistí (např. ukolejňovací lana podél trati atd.). Pokud takové řešení není k disposici, musí ho nahradit odpovídající údržba. I tento případ dokumentuje důležitost udržování co nejlepší symetrie kolejových obvodů, odstraňování poruch v co nejkratší době, vyvarování se všeho, co by mohlo zbytečně snižovat impedanci případné obchozí cesty atd. Obchozí cesty mohou vzniknout i ve vlastním kolejovém obvodu, jak je naznačeno na obr. 7-10. Budou-li např. v bodech A a B připojeny ke kolejnici dva objekty s nízkým izolačním odporem proti zemi, nebo mezi sebou navzájem, nebude část kolejnice mezi body A a B hlídána na lom koleje. Důsledkem bude, že při výskytu druhého lomu mezi body A a B nebude v úseku mezi oběma lomy zajištěno ani šuntování.

3J A

B

Obr. 7-10

7.2

CHARAKTERISTIKA ZDROJŮ CIZÍCH VLIVŮ

Pro kolejové obvody mohou být v podmínkách ČD zdrojem rušení zejména : • trakční soustavy (spolu se svým hlavním spotřebičem – hnacími vozidly) : • střídavá - 25 kV, 50 Hz, • stejnosměrná - 3 kV, • elektrické topení, • další zařízení připojená k trakčnímu nebo topnému vedení, • ostatní elektroenergetická zařízení, • ukolejnění, • signální zdroje jiných kolejových obvodů: • sousední kolejové obvody, • souběžné kolejové obvody, • ostatní kolejové obvody, jejichž vliv může být zprostředkován tzv. obchozími cestami.

7.2.1 Trakce 7.2.1.1 Hnací vozidla Dominantní je přímý galvanický vliv zpětného trakčního proudu protékajícího kolejnicemi od hnacího vozidla a ovlivňující kolejový obvod způsobem popsaným v části 7.1.1. Spektrum rušivých kmitočtových složek ve zpětném trakčním proudu je tak závislé jednak na napájecí soustavě a trakční napájecí stanici, jednak na hnacím vozidle, tj. typu trakčního motoru (stejnosměrný nebo střídavý asynchronní) a způsobu jeho regulace. Rychlý rozvoj výkonové elektroniky v posledním období vedl k

66

několika odlišným principům regulace s výrazně odlišným spektrem rušivých vlivů. V následujících odstavcích je uveden jejich stručný přehled. Klasická hnací vozidla (první generace) se vyznačují stejnosměrnými trakčními motory (pro stejnosměrnou i střídavou trakční soustavu) a regulací změnou napájecího napětí a změnou buzení (obr. 711). Regulace na stejnosměrné trakci využívá rozjezdové odpory, přepínání buzení motorů a změnu řazení trakčních motorů do skupin. Na střídavé trakci je navíc použito přepínání odboček na trakčním transformátoru a následné usměrnění střídavého napětí diodovým můstkovým usměrňovačem. Rušivé proudy odpovídají v obou případech použitým neřízeným usměrňovacím členům - u stejnosměrné trakce usměrňovači v měnírně, u střídavé trakce usměrňovači na vozidle.

= ∼ ~ Ztrátová regulace

M

=

Obr. 7-11

Vývoj v hnacích vozidlech pak směřoval ke snižování ztrát při regulaci. K prvnímu uplatnění došlo u vozidel pro střídavou trakci, se stejnosměrnými trakčními motory s regulací napětí řízeným tyristorovým usměrňovacím můstkem (lze označit jako vozidla druhé generace, obr. 7-12). Při tomto způsobu regulace napětí dochází k silnému tvarovému zkreslení odebíraného trakčního proudu, v závislosti na úhlu otevření tyristorů v usměrňovacím můstku. V rušivém spektru jsou vlivem řízených tyristorových usměrňovačů zvýrazněny zejména všechny liché harmonické složky základního kmitočtu, při nesymetrii vyniknou i sudé složky. ~ Řízený usměrň.

M

=

Obr. 7-12 Další vývoj směřoval k trakčním měničům pro nízkoztrátovou regulaci hnacích vozidel se stejnosměrnými trakčními motory a to jak pro stejnosměrnou, tak střídavou trakční soustavu (třetí generace vozidel, obr. 7-13). Tyto měniče využívají impulsní šířkovou modulaci (PWM), tj. pracují s proměnnou šířkou impulsu na jednom nebo více nosných kmitočtech. Mimo oblast ČD byly použity i měniče s tzv. dvouhodnotovým řízením, které generují plynule proměnné nosné kmitočty. Rušivé spektrum zpětných trakčních proudů pak obsahuje kmitočtové složky rovnající se řídícímu (nosnému) kmitočtu pulzního měniče a jejich násobkům. Pro jejich snížení je na vstupu zařazen LC filtr.

67

= ∼ Filtr

∼

= Pulzní měnič

=

M

=

Obr. 7-13 Další vývoj byl pak zaměřen na využití třífázových asynchronních trakčních motorů v hnacích vozidlech (vozidla třiapůlté generace, obr. 7-14). Tyto motory byly zpočátku řízeny s pomocí proudových střídačů, v současné době jsou regulovány a napájeny měniči s plynule proměnným napětím a frekvencí. Typické je zde použití výkonových tyristorů GTO a nosný kmitočet měniče řádově ve stovkách Hz. Před vlastní trakční frekvenční měnič se na stejnosměrné trakci předřazuje pomocný měnič (snižující) na stejnosměrné mezinapětí, kterým je pak napájen vlastní trakční měnič. Při střídavé trakci zajišťuje stejnosměrné mezinapětí diodový můstek. Pro regulaci trakčního měniče je opět využito modulace PWM. Modulaci lze uskutečnit dvěma způsoby : buď se při konstantním nosném kmitočtu mění plnění periody (poměr impuls/mezera), nebo se při konstantní šířce impulsu mění perioda nosného kmitočtu. V reálných trakčních měničích se pak využívá kombinace obou způsobů. Lze tak minimalizovat dynamické (spínací) ztráty na výkonových spínačích a optimalizovat rychlost odezvy při změnách. Pro snížení vstupní impedance a rušivých kmitočtů je na stejnosměrném mezinapětí zařazen LC filtr typu dolní propust, s mezním kmitočtem cca 20 Hz. Spektrum rušivých kmitočtů je zde závislé na kmitočtu trakčního měniče a způsobu jeho regulace (sinusová modulace, obdélníkové řízení). Tyto rušivé kmitočty jsou na stejnosměrné trakci pak částečně filtrovány (resp. konvertovány) do jiné kmitočtové polohy pomocným měničem a LC filtrem. =

=

∼

= Filtr

∼

= Trakční měnič s GTO

=

M

=

Obr. 7-14 Nejnověji jsou používány v trakčních měničích hnacích vozidlech s třífázovými asynchronními trakčními motory výkonové spínací tranzistory IGBT (vozidla čtvrté generace, obr. 7-15). Kaskádním řazením výkonových měničů (pro snížení jejich svorkových napětí) je zpravidla vypuštěn na stejnosměrné trakci snižující pomocný měnič a výkonové trakční měniče jsou připojeny přes filtr LC přímo na trakční vedení. Na střídavé trakci se využívá pro získání stejnosměrného mezinapětí pomocných tzv. pulzních usměrňovačů (čtyřkvadrantových měničů). Vlastní trakční měniče pracují s nosnými kmitočty řádově v jednotkách kHz a algoritmy jejich řízení (spolu s vlastnostmi pulzních usměrňovačů) umožňují i rekuperaci při brzdění. Pulzní usměrňovač umožňuje aktivní filtraci odebíraného trakčního proudu, takže průběh proudu je blízký sinusovému a ve fázi s napětím (cos ϕ ≈ 1). Teoreticky by tedy obsah rušivých signálů měl být (v provozním stavu) zejména na střídavé trakci minimální.

68

= ∼ Filtr

∼ Čtyřkv. měnič

=

= Trakční měnič s IGBT

M

=

Obr. 7-15 Z uvedeného přehledu je patrné, jak významně se na potlačení rušivých kmitočtů podílí filtrační členy. Ty jsou ve všech případech konstruovány jako jednoduchý (ale výkonový) pasivní LC filtr typu dolní propust. Jeho případné poruchy (zejména odpojení části baterie kondenzátorů) mohou způsobit celkové zvýšení úrovně rušení nebo zvýraznění určité části rušivého spektra. Problematické jsou z hlediska zabezpečovací techniky nejen poruchové stavy, ale i další vlivy, které na kvalitu filtru působí, jako např. impedance napájecí soustavy, možnost nežádoucích rezonančních jevů (společně s napájecím vedením) atd. Totéž co platí pro vlivy trakčních částí hnacích vozidel, ovšem v míře odpovídající výkonu, platí i pro vlivy ostatních, tzv. pomocných pohonů na hnacích vozidlech. Kromě galvanického vlivu působí trakční soustava indukčními vlivy na veškerá vedení v souběhu s tratí, tj. zejména na slaboproudé rozvody železniční sdělovací a zabezpečovací techniky. Zvýšené rušivé proudy vyšších kmitočtů pak mohou mít vliv na kvalitu zejména sdělovacích kanálů doposud provozovaných po metalických vedeních, a proto je nutné uvažovat i psofometricky vážené komplexní vlivy. Teoreticky je možné uvažovat i o přímém indukčním vlivu elektromagnetického pole, vznikajícím v blízkosti trakčních obvodů na hnacích vozidlech, na výstroj kolejového obvodu či jiných částí zabezpečovacích zařízení (viz část 7.1.3). U ČD významný přímý vliv na kolejové obvody z tohoto titulu sice nebyl zaznamenán, ale ani se po něm nepátralo. Kompatibilitu trakce a kolejových obvodů nelze vyřešit žádným jednorázovým opatřením. Vyžaduje trvalou pozornost a interdisciplinární přístup při každém novém potenciálním zdroji ovlivnění.

7.2.1.2 Další spotřebiče připojené k trakčnímu vedení Z trakčního vedení jsou kromě hnacích vozidel prostřednictvím různých transformátorů nebo měničů napájena i některá železniční stacionární zařízení. Tak např. pro elektrický ohřev výhybek v zimním období se v současné době používá napájení odporových topnic napětím z trakčního vedení. Na střídavé trakci se napětí trakční sítě 25 kV/50 Hz transformuje na napětí 400 V (230 V) pomocí transformátorů, které jsou obvykle umístěny na sloupech trakčního vedení. "Neživý" konec primárního vinutí transformátoru se ukolejňuje na trakční kolejnici jednopásového kolejového obvodu nebo se připojuje na střed stykových transformátorů (dvoupásové kolejové obvody) v místech tzv. neomezeného připojení (ČSN 34 2613). Na stejnosměrné trakční soustavě se k tomuto účelu využívají měniče ze stejnosměrného trakčního napětí 3 kV na střídavé napětí 50 Hz, 400 V (230 V). Výstupní napětí je zpravidla filtrováno a je sinusového tvaru. Měnič napětí je řešen s využitím tranzistorů IGBT ve výkonovém obvodu, pracuje s řízením PWM na konstantním nosném kmitočtu v kmitočtovém pásmu cca jednotek kHz. Obdobně jako u trakčních měničů je i v těchto případech třeba před jejich zavedením ověřit, že nebudou nepřijatelně ovlivňovat kolejové obvody.

7.2.1.3 Střídavá trakční soustava 25 kV, 50 Hz Ve zpětném trakčním proudu se vyskytují všechny složky, které jsou obsaženy již v primární napájecí soustavě, tedy kromě základního kmitočtu 50 Hz i jeho vyšší harmonické, ale také další jako např. signály hromadného dálkového ovládání (HDO), které jsou do napájecí soustavy injektovány k řídícím účelům. V rozvodech ČR se dnes k tomuto účelu nejčastěji používá signál o kmitočtu 216 Hz, klíčovaný

69

sériovým kódem a může dosahovat až 5ti % napěťové úrovně příslušné sítě, ale nově jsou normovány i další kmitočty. Hnací vozidla pak přispívají rušivými vlivy danými typy trakčních motorů a způsobem jejich regulace, jak je uvedeno pro jednotlivé typy v odstavci 7.2.1.1. Dále se ve spektru zpětných trakčních proudů mohou objevit interferenční kmitočty odvozené z rozdílů kmitočtů jednotlivých pulzních měničů v témže napájecím úseku (včetně kmitočtů harmonických). Ochranná opatření proti vlivům střídavé trakce jsou komplikována nejvíce ohledem na nutnost dodržet maximální normou dovolenou úroveň nebezpečných dotykových napětí neživých vodivých částí, nacházejících se v blízkosti trakčního vedení.

7.2.1.4 Stejnosměrná trakční soustava 3 kV Ve zpětném trakčním proudu se vyskytuje zbytkové zvlnění, pocházející z trakčních usměrňovačů v měnírně. U ČD se používají dvanáctipulzní trakční usměrňovače a tedy typický je výskyt složky 600 Hz a všech jejich vyšších lichých násobků (v menší míře i sudých). Metro obvykle využívá šestipulzních usměrňovačů s typickým výskytem složky 300 Hz. Filtrační obvody instalované v měnírnách pro jejich potlačení mají (obdobně jako na vozidlech) omezenou účinnost. Starší pokusy o zvýšení jejich účinnosti narazily na problémy s rezonancemi vznikajícími v součinnosti s proměnnou charakteristikou trakčních vedení. Problematické jsou také poruchové stavy usměrňovačů, kdy např. při neplnofázovém provozu usměrňovačů se mohou vyskytovat prakticky všechny harmonické složky napájecího kmitočtu 50 Hz včetně základní. Tato okolnost vylučuje setrvání u kolejových obvodů 50 Hz bez specifických ochran i na stejnosměrné trakci. Přiměřeně se uplatní také všechny další proudové složky, které se vyskytují v napájecí síti, tedy např. proudy HDO. Zajímavostí je jejich frekvenční transformace vlivem trakčních usměrňovačů v měnírně. Obecně dochází k posunu původní frekvence rušivého signálu o ± n.50 Hz, protože v závislosti na konstrukci a počtu fází usměrňovače (n) dochází při usměrňování síťového proudu vlastně k jejich amplitudovému nebo frekvenčnímu klíčování právě síťovou frekvencí. Při využívání trakčních měničů na hnacích vozidlech platí obdobné závěry jako na střídavé trakci. Díky zvýrazněným spektrálním složkám trakčního proudu je nutné kontrolovat i indukční vlivy stejnosměrné trakční soustavy na souběžná vedení, protože ta, s ohledem na bludné proudy, nemohou využívat stínících efektů uzemněných vodičů či pláště. Ochranná opatření proti vlivům stejnosměrné trakce jsou obecně komplikována nejvíce ohledem na bludné proudy, které velmi nepříznivě působí na veškerá úložná zařízení. Je nutné se vyhnout opatřením, která by bludné proudy enormně zvyšovala.

7.2.2 Elektrické topení Při elektrické trakci je topení v osobních vozech napájeno prostřednictvím průběžného topného kabelu z hnacího vozidla. Na stejnosměrné trakci je kabel napájen přímo trakčním stejnosměrným napětím 3 kV, na střídavé trakci střídavým napětím 3 kV/1,5 kV z odbočky trakčního transformátoru. Zpět ke zdroji se topný proud vrací kolejnicemi. I na hnacím vozidle nezávislé trakce může být pro elektrické topení a centrální napájení vozů elektrickou energií instalován topný alternátor, poháněný trakčním spalovacím motorem. V podmínkách ČD je použit alternátor s můstkovým usměrňovačem. Musí být proveden tak, aby základní harmonická složka topného proudu při normálním provozním stavu (plnofázový chod alternátoru i usměrňovače) byla větší než 300 Hz. Toho je třeba dosáhnout i při minimálních možných otáčkách, daných volnoběžnými otáčkami spalovacího motoru. Za jízdy se pak agregát točí rychleji a tedy střídavé složky proudu jsou nad frekvencemi provozovaných kolejových obvodů. Problémem je, obdobně jako u stejnosměrné trakce, poruchový stav, kdy se ve výstupním proudu mohou vyskytnout harmonické složky základního kmitočtu alternátoru. Pokud by takový stav mohl nastat a vlivy by přesahovaly únosnou mez, musí být na plnofázový provoz alternátoru bezpečně dohlíženo.

70

Ústřední zásobování osobních vozů elektrickou energií je odvozeno ze stejného zdroje jako vlakové topení. Při hodnocení vlivu topení je možné vzít v úvahu, že vliv je za normálních okolností, v porovnání např. s vlivy trakce, omezený prostorově (délkou vlaku) i časově (dobou průjezdu vlaku) - viz odst. 7.1.2.

7.2.3 Výkonové měniče v osobních vozech Pro napájení osvětlení, klimatizace a ostatních elektrických zařízení v moderních osobních (a zejména speciálních) železničních vozech se používají měniče napětí se shodným obvodovým řešením a vlastnostmi, jako jsou měniče využívané pro elektrický ohřev výhybek. Měniče jsou napájeny z průběžného topného kabelu stejnosměrným, nebo na vstupu měniče usměrněným střídavým napětím (měniče jsou obvykle vybaveny automatickým přepnutím vstupního napájecího napětí podle druhu trakce).

7.2.4 Ostatní elektroenergetická zařízení Obecně mohou být zdroji ovlivnění veškeré procesy výroby a rozvodu elektrické energie. V elektroenergetické soustavě jsou v ČR v úrovni zvn a vvn provozovány třífázové rozvody s účinně uzemněným nulovým bodem, v úrovni vn s izolovaným středem a v úrovni nn opět s uzemněným středem. Tyto rozvody působí na veškerá elektrická vedení, tedy i na vedení kolejové, zejména indukčním vlivem (kapacitní vliv lze obvykle opět s ohledem na stínění kabelů a malou výšku kolejového vedení nad zemí zanedbat). V blízkosti velkých zemnících sítí (elektrárny, rozvodny) se mohou vyskytovat i galvanické vlivy na vedení. Jak indukčním, tak galvanickým vlivem se do kolejového obvodu mohou dostat rušivé proudy síťového kmitočtu 50 Hz a jeho vyšších harmonických složek, případně i další složky obsažené v rozvodech (např. opět HDO). Méně často se lze (zejména v městských a průmyslových aglomeracích) setkat s vlivy jiných systémů, provozovaných městskou hromadnou dopravou (stejnosměrné systémy) nebo velkými podniky doly, válcovny (výkonové měniče s proměnným kmitočtem, často v oblasti pod kmitočtem sítě).

7.2.5 Ukolejnění Podle charakteru ukolejněného objektu je třeba posuzovat nebezpečí aktivního působení a odhadovat kvalitu možných ovlivňujících proudů. Většinou lze předpokládat, že aktivní ovlivnění bude mít charakter síťového proudu (50 Hz včetně vyšších harmonických složek) a/nebo stejnosměrného proudu (přičemž potenciál proti kolejnici se může měnit). V některých případech však může být přiveden i proud jiných kmitočtů. To je třeba ověřit zejména v případech ukolejňování nestandardních zařízení a v případech, kdy připojovaná konstrukce může být záměrně či poruchou součástí jiného elektrického zdroje. Kolejové obvody, provozované u ČD na vyhrazených frekvencích 75 Hz a 275 Hz, mají dostatečnou ochranu před cizími vlivy mimo oblast těchto vyhrazených frekvencí a proto není třeba se ve standardních případech možností aktivního ovlivnění v praxi zabývat. To však neplatí pro starší kolejové obvody 50 Hz, dosud provozované na některých úsecích se stejnosměrnou trakční soustavou nebo nezávislou trakcí. Ohrožený přitom může být nejen kolejový obvod v místě připojení, ale i obvody do jisté vzdálenosti od místa připojení, protože ovlivňující proud Ir se může kolejemi šířit obdobně jako proud trakční.

7.2.6 Signální zdroje jiných kolejových obvodů V závislosti na použité struktuře kolejových obvodů a charakteru obchozí cesty se tyto zdroje nemusí od vlastního signálního zdroje nijak lišit ani frekvencí, ani fází, ani případným kódováním a tedy se jim nelze účinně bránit, pokud proniknou až na přijímací konec kolejového obvodu.

71

Ochranným opatřením proti tomuto druhu rušení je zatím nejen u ČD pouze pořádek a pečlivost údržby. V udržování pořádku v tomto směru napomáhá koordinační plán ukolejnění, který obsahuje všechny relevantní objekty v dané oblasti, předepisuje způsob jejich propojení s kolejnicemi a je vytvořen společně silnoproudými a zabezpečovacími odborníky tak, aby vyhovoval oběma odvětvím. Řádná údržba pak musí zajistit trvalý soulad mezi plánem a realitou. Dále musí údržba zajistit, že případné poruchou vzniklé závady v symetrii kolejového obvodu nezůstanou dlouho neodhaleny a neopraveny. K tomu slouží i periodická měření a prohlídky.

7.3

MEZNÍ HODNOTY VLIVŮ NA PŘIJÍMAČÍCH

Cizí vlivy, v závislosti na své povaze a velikosti, mohou na kolejové obvody působit rušivě, tj. nepříznivě ovlivňovat jejich spolehlivou funkci, nebo dokonce způsobit ohrožení bezpečnosti dopravy tím, že by např. paralelní kolejové obvody falešně hlásily volnost obsazeného kolejového úseku. Podle doby trvání vlivu může být vliv trvalý, dlouhodobý nebo krátkodobý, přičemž za trvalý vliv se považuje vliv způsobený provozním stavem ovlivňujícího zařízení, za dlouhodobý se považuje vliv vyvolaný takovou poruchou ovlivňujícího zařízení, která může trvat řádově v minutách až hodinách a za krátkodobý se považuje vliv vyvolaný takovou poruchou ovlivňujícího zařízení, která může trvat řádově v sekundách. Tato obecná terminologie je převzata z oblasti ochran sdělovacích vedení před nebezpečnými vlivy elektroenergetických vedení a zařízení pro usnadnění komunikace s jinými odvětvími. Z hlediska hodnocení vlivu na kolejové obvody nemá význam oddělovat trvalé a dlouhodobé vlivy; krátkodobé vlivy lze pak odlišně posuzovat (viz dále) jen v případě, že trvají kratší dobu než je reakční doba přijímačů kolejových obvodů, protože je třeba brát v úvahu možnou sekvenční činnost navazujících logických obvodů. Při ovlivnění je třeba počítat s tím, že se k vlastnímu napětí v kolejovém obvodu superponuje napětí cizího vlivu. Důsledky budou různé podle velikosti, frekvence a fáze ovlivňujícího napětí a podle typu přijímače, popřípadě i podle druhu kódování signálu. V úvahu je třeba brát, tak, jak je v zabezpečovací technice obvyklé, nejnepříznivější případ. To je obvykle (v případě, že rušení je jevem nezávislým na vlastním kolejovém obvodu) prostá adice účinných složek za nejnepříznivější konfigurace.

7.3.1 Trvalé nebo dlouhodobé ohrožující vlivy Aby nedošlo k ohrožujícímu vlivu na staticky pracující kolejový obvod, nesmí velikost vlivu Uv v okamžiku, kdy vozidlo obsazuje kolejový obvod, překročit hodnotu danou rozdílem napětí odpadu Uo a nejvyššího možného napětí Us, vyskytujícího se na přijímači v šuntovaném stavu v době, kdy přijímač není ovlivňován cizím vlivem, tedy (viz obr. 7-16) :

U v < Uo − Us . Aby nedošlo k ohrožujícímu vlivu na staticky pracující kolejový obvod v době, kdy je kolejový obvod již obsazen (tj. kolejové relé je odpadlé vlivem přítomného vlaku nebo poruchou obvodu), nesmí velikost vlivu Uv překročit hodnotu danou rozdílem napětí nepřítahu Unp a nejvyššího možného napětí vyskytujícího se na přijímači při šuntu Us (resp. v havarijním stavu Uh - hodnoty Uh i Us jsou ale obvykle velmi blízké), tedy :

U v < U np − U s ,

72

Pro impulsně pracující kolejový obvod obdobně platí (v obou případech stejně), že velikost vlivu Uv nesmí překročit hodnotu danou rozdílem napětí nepřítahu Unp a nejvyššího možného napětí vyskytujícího se na přijímači při šuntu Us, tedy :

U v < U np − U s , ale pokud cizí vliv stoupne tak, že

U v − U s > U no , nedojde při šuntu k odpadu přijímače, příslušný dekodér vyhodnotí situaci bezpečně a ohrožující vliv nevznikne. Existuje tedy i u impulsních kolejových obvodů oblast velikosti vlivu, kdy neimpulsní rušivé napětí ohrozí šuntovou citlivost obvodů. Situace bude (na první pohled paradoxně) tím příznivější, čím menší bude koeficient vypnutí přijímače a čím více vliv překročí určitou velikost. Protože ale jde o účinnou složku, závislou kosínovou funkcí na fázové odchylce od ideálního úhlu, nelze z posledně jmenované skutečnosti u dvoufázových přijímačů odvodit žádnou úlevu.

Přítah Nepřítah Neodpad Odpad Šunt

Volný stav

Šuntovaný stav

Obr. 7-16 7.3.2 Krátkodobé ohrožující vlivy Z pouhé okolnosti, že vliv není trvalý, neplynou ani u staticky ani u impulsně pracujících obvodů žádné úlevy proti vlivům trvalým, pokud „krátkodobý“ vliv není kratší než doba reakce kolejového přijímače resp. navazujícího zařízení. Pro nejběžněji u ČD používané přijímače typu DSŠ je pro tento účel obecně možné uvažovat s dobou reakce maximálně 100 ms. Pro vlivy kratší než 0,1 s lze pak uvažovat s limitní hodnotou krátkodobého rušivého napětí Uvk

U vk = kde

Uv , 10 ⋅ t k

tk ... je doba trvání krátkodobého vlivu tk < 0,1 [s].

V časové oblasti je nutné uvažovat ještě další okolnosti. První je skutečnost, že doposud byla uvažována pouze selektivita přijímačů za podmínek ustáleného stavu rušivého vlivu. Jakýkoliv přechodový jev ale vyvolává celé spektrum rušivých kmitočtů, které nesouvisí s kmitočtem rušivého vlivu za ustáleného stavu a tedy může způsobit i vliv na přijímače kolejových obvodů pracující při vyhrazeném kmitočtu. Trvání takového vlivu (např. rozkmitání filtru) je pak závislé na konkrétní konstrukci jak ovlivňujícího, tak ovlivněného zařízení, přičemž rozhodující je dodaná energie do kolejového přijímače. Navíc je nutné omezit četnost výskytu takových krátkodobých rušivých proudů (např. ohled na LVZ nás nutí k opatrnosti vždy, kdy by se mohly vyskytovat přechodové jevy s četností vyšší než 1 Hz). Pokud tedy vzniknou z konfigurace obvodů pochybnosti v těchto směrech, je nutné vždy přinejmenším aplikovat limitní hodnoty Uv pro vlivy trvalé.

73

7.3.3 Rušivé vlivy Aby se na kolejovém obvodu neprojevil rušivý vliv, tj. aby volný kolejový obvod nebyl hlášen jako obsazený, nesmí velikost vlivu Uv překročit rezervu napětí na přijímači od hodnoty přítahu (je nutno brát v úvahu přítah po předchozím šuntu), tedy

U v < U pr − U p , kde Upr ...

je nejmenší napětí vyskytující se na neovlivněném kolejovém přijímači při volném stavu, Up .... je napětí přítahu přijímače.

7.4

HODNOCENÍ VLIVŮ Při hodnocení vlivů je třeba obecně brát v úvahu řadu ne zcela souměřitelných faktorů:

• • • • • • •

energii dodanou v jednotlivých stavech vlastním napájením kolejového obvodu, energii dodanou v jednotlivých stavech cizím vlivem, současnost jejich působení, limit dovoleného ohrožujícího vlivu, limit dovoleného rušivého vlivu, důsledky vlivů na bezpečnost a spolehlivost celého systému – vzhledem k tomu, že kolejový obvod je primárním prvkem informace ve všech sofistikovanějších zabezpečovacích systémech, není rozumné zde dělat nějaké kompromisy a to ani z hlediska bezpečnosti, ani z hlediska spolehlivosti, možné současné působení více různých vlivů - zdrojem rušení může být například více hnacích vozidel v jednom trakčním úseku, mohou se kombinovat cizí indukční vlivy s vlivy galvanickými atd.

a to při uvažování všech stavů kolejového obvodu i ovlivňujícího zařízení (včetně poruchových). Jak patrno z předchozích částí, stanovení mezí, při nichž k ohrožujícímu resp. rušivému vlivu ještě nedojde, znamená nejprve stanovit, s jakou rezervou splňuje kolejový obvod normovanou šuntovou citlivost, citlivost k lomu koleje a případně i další zaručované parametry kolejového obvodu (např. ve vztahu k zařízení VZ). Přitom je nutno uvažovat všechny typy kolejových obvodů, které mohou být vlivem postiženy, všechny jejich konstrukční délky, poruchové stavy atd. Z takto rozsáhlého rozboru je nutné vybrat nejnepříznivější případ. Dále je patrné, že při určování nejdůležitější dovolené meze ovlivnění, tj. ohrožujícího ovlivnění z hlediska šuntové citlivosti, se vyskytují dvě hodnoty charakterizující rezervu v šuntové citlivosti (resp. v havarijním stavu) – jednou vůči hodnotě odpadu přijímače, podruhé vůči hodnotě zaručeného nepřítahu přijímače. První případ odpovídá situaci, kdy dvoupásový kolejový obvod (doposud hlášen jako volný) je za působení rušivého vlivu obsazován vlakem a přitom má dojít ke změně na stav "obsazen". Jen v případě vyloučení situace, kdy současně dojde k rušení, obsazení kolejového obvodu a lomu koleje, bylo by možné uvažovat rušivý proud v dvoupásovém kolejovém obvodu s normální, tj. provozní asymetrií. Pokud tento stav nelze vyloučit (a v podmínkách ČD se skutečně nevylučuje, protože lom bývá spojen právě s jízdou vlaku), je nutné počítat se 100% nesymetrickým rušivým proudem. Druhý případ odpovídá situaci, kdy kolejový obvod je pro poruchu (lom koleje nebo přerušení přípojných lan) ve stavu "obsazen" a vlivem rušení by mohl být hlášen jako "volný" (třeba i při obsazení vlakem). I v tomto případě je třeba uvažovat 100% nesymetrický rušivý proud.

74

Pro jednotlivé případy rušení je pak nutné aplikovat vždy příslušnou hodnotu. Uveďme ještě, že hodnota zaručeného nepřítahu přijímačů indukčního typu je jen o málo vyšší než hodnota odpadu a je velmi vzdálená od hodnoty přítahu. Obdobný závěr platí i pro fázové detektory. V podmínkách ČD se na základě analýz všech standardně používaných dvoupásových kolejových obvodů za přijatelnou hodnotu ohrožujícího i rušivého vlivu považuje jednotně 5 % napětí přítahu staticky pracujícího kolejového přijímače (měřeno na přijímači). Tuto hodnotu není v žádném případě možno považovat za příliš úzkoprsou. U většiny používaných kolejových obvodů navržených pro šuntovou citlivost 0,1 Ω a zaručujících detekci lomu koleje znamená připuštění takto velkého ovlivnění snížení šuntové citlivosti až k původní, doposud u ČD normované hodnotě 0,06 Ω, aniž by se uvažoval synergický efekt více zdrojů ovlivnění, tolerancí výstroje atd. Je třeba konstatovat, že návrh „lepšího“ kolejového obvodu při současné technické délce (1,5 ÷ 2,0 km), maximálním dovoleném svodu (y = 1,0 S/km), zajištění detekce lomu koleje a se stávajícími reléovými přijímači (koeficient vypnutí 0,5) je mimo technické možnosti. Zlepšení by bylo možné očekávat teprve při hromadném nasazení kolejových obvodů s elektronickými přijímači s podstatně vyšším koeficientem vypnutí nebo při opuštění podmínky zaručené detekce lomu koleje. S jistým zjednodušením lze limitní hodnotu pro všechny dvoupásové kolejové obvody u ČD interpretovat jako limitní hodnotu 50 mV (měřeno mezi kolejnicemi na přijímačovém konci kolejového vedení) nebo jako hodnotu asymetrického rušivého proudu trakce ve vyhrazených pásmech 0,167 A. Pro jednopásové obvody lze obdobně jako limitní tolerovatelnou hodnotu rušivého proudu trakce stanovit hodnotu 0,7 A. Tyto hodnoty ovšem představují celkový rušivý proud v kolejovém obvodu, na kterém se podílí všechna vozidla na napájecím rameni, ale který je na druhé straně redukován rozdělením zpětného proudu do jednotlivých kolejí (např. na dvoukolejné trati, staničních kolejí atd.) a rozdělením zpětného proudu mezi koleje a zem. Uvážíme-li tedy ještě alespoň druhé hnací vozidlo srovnatelného výkonu a předpokládáme-li, že toto druhé hnací vozidlo je zdrojem nekorelovaného rušivého napětí stejné velikosti, bude hodnota dovoleného rušivého proudu, příslušná jednomu hnacímu vozidlu (soupravě), zaokrouhlená (vzhledem k rozptylu charakteristických impedancí atp.)

I r1 = I r

2 , 2

tedy 0,1 A pro dvoupásový obvod a 0,5 A pro jednopásový obvod. Pokud je vozidlo určeno pro provoz v úseku, kde jsou provozovány jak jednopásové, tak dvoupásové obvody, platí pochopitelně nižší hodnota z obou, tj. 0,1 A. Samozřejmě všechny výše uváděné hodnoty je třeba posuzovat vždy ve vztahu k selektivitě přijímačů - týkají se pouze té části kmitočtového (popř. fázového) spektra, na níž je přijímač citlivý. Je-li selektivita přijímače upravována filtrací, je třeba uvážit reálné (neideální) charakteristiky filtrů (včetně reakce na skokové změny a velmi krátké impulsy vysoké úrovně) a navíc pak i možné poruchové stavy tak, jak je obvyklé v zabezpečovací technice. Je-li selektivity dosaženo fázovými detektory nebo indukčními relé, je třeba do úvah zahrnout čistotu a frekvenční (popř. fázovou) stabilitu referenčního signálu, posoudit chování přijímače při blízkých frekvencích a zahrnout i reálnou odezvu jeho výstupu. V podmínkách ČD to například znamená považovat pro standardní dvoupásové kolejové obvody s indukčními relé za citlivou oblast ± 4 Hz od frekvence referenčního signálu. Tuto oblast je nutné dále rozšířit o možné kolísání frekvence napájecích zdrojů pro kolejové obvody, které je výrazné zejména u starších, rotačních, zdrojů. Výsledkem je, že u ČD pro kolejové obvody 75 Hz je nutné za citlivou oblast považovat pásmo 64 ÷ 86 Hz, pro kolejové obvody 275 Hz pásmo 257 ÷ 282 Hz. Zúžení těchto pásem přichází v úvahu teprve po úplné záměně rotačních zdrojů za zdroje statické, kdy bude možné uvažovat s pásmy 75Hz ± 6 Hz a 275Hz ± 6 Hz. Pro jednopásové obvody 50 Hz s filtrem se limit rušivých trakčních proudů 0,5 A vztahuje na kmitočtovou oblast 0,1 ÷ 300 Hz. Pokud je v této oblasti zjištěn současný výskyt různých rušivých složek, je celkový vliv uvažován obvyklým vztahem

Ic =

I 12 + I 22 + ⋅⋅⋅ + I 2i .

75

Na střídavé trakci používané starší impulsní dvoupásové a jednopásové kolejové obvody RC 25 a RC 75 s fázově necitlivým přijímačem (IRV a pod.) mají před relé předřazeny podstatně kvalitnější pasivní článkové filtry, ale není známa jejich zaručovaná frekvenční charakteristika. Vzhledem k jejich malému počtu a tomu, že se již řadu let nově nezřizují, se jeví účelné aplikovat pro ně týž limit jako pro obvody 50 Hz, ale neuvažovat přitom rušivou složku 50 Hz (je dostatečně potlačena až do velikosti trakčních proudů). Limit 100 mA dovoleného ovlivnění kolejových obvodů cizími vlivy je u ČD používán dlouhodobě. Nejdříve se uplatnil při řešení problému vlivu stejnosměrné trakční soustavy na kolejové obvody 50 Hz (cca 60tá léta, v době, kdy většina zahraničních správ neměla ani tušení, že by nějaký limit měly mít). Později byl aplikován při tyristorové regulaci hnacích vozidel na střídavé trakci a při pulzní regulaci stejnosměrných trakčních pohonů (cca 70 a 80 léta), kdy byly pro ČD, spoluprací výrobců lokomotiv a zabezpečovacích odborníků, vybrány pouze určité typy regulace, zajišťující dodržení tohoto limitu. Opatření byla v těchto případech zaměřena na nepřipuštění těch typů regulace, které využívají jako pracovní frekvence (včetně harmonických složek) frekvence shodné se signálním kmitočtem kolejových obvodů (75 a 275 Hz). Obdobná situace se opakuje dnes při řešení asynchronních pohonů. Zde ale je fyzikálně obtížné omezit se pouze na úzké oblasti frekvenční regulace pohonu - jde o spojitou oblast cca 0 -200 Hz, včetně harmonických složek. Situace se dále komplikuje kaskádním řazením více měničů, kde vznikají různé intermodulace. Dosavadní zkušenosti z měření asynchronních pohonů (i větších výkonů než jsou doposud provozované u ČD) ve VÚŽ ukazují, že i zde existují řešení, která, sice s obtížemi, ale přece jen stávající limit ČD dokáží splnit. Při srovnání s limity, používanými u jiných železnic, je nutné konstatovat, že limit použitý u ČD patří k nejnižším. Důvodem je zejména okolnost, že u ČD jsou kolejové obvody využívány až na hranici jejich možností (svod kolejového lože, kontrola lomu koleje, dosažitelná technická délka), tedy priority při řešení kolejových obvodů byly nastaveny v souladu s minulými potřebami ČD poněkud jinak, než v ostatní Evropě. Nezanedbatelná není ani okolnost, že potřeba plného využití vlastností kolejových obvodů vedla u ČD k podrobným analýzám a tedy i schopnosti exaktněji definovat meze cizího vlivu, než jak činí např. EN 50 238 [3]. Je třeba konstatovat, že díky dosavadnímu striktnímu dodržování stanoveného limitu, se ČD vyhnulo provozním problémům v oblasti kompatibility zabezpečovacích systémů a hnacích vozidel, které od zavedení bezodporové regulace provázely jiné železniční správy.

7.5

MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ LIMITU

Jak bylo uvedeno v předchozím, výši limitu v klasických dvoupasových obvodech, téměř zásadně u ČD užívaných, ovlivňuje zejména : • • •

výše rezervy šuntové citlivosti a citlivosti k lomu koleje v daném typu kolejového obvodu, konfigurace kritického stavu kolejového obvodu, uvažovaná při stanovení vlivu a samozřejmě také úroveň užitečného signálu v kolejích.

Rezervu je možné u stávajících obvodů zvýšit změnou regulace na úkor stávajících parametrů kolejových obvodů, tj. zejména maximálně přípustného svodu v kolejovém obvodu, snížením nároku na šuntovou citlivost a vyhodnocení havarijního stavu, zkrácením technické délky kolejového obvodu. Snížení šuntové citlivosti nepřichází v úvahu, naopak je nutné do budoucna eliminovat obvody s nižší šuntovou citlivostí než 0,1 Ohm, změna technické délky znamená u stávajícího zařízení potřebu dodatečné kabelizace, potřebu umístit nové prvky v zabezpečovacích ústřednách a další montážní práce - tak rozsáhlé změny nepřicházejí na právě dobudovávaných koridorech v úvahu. Naproti tomu, změna v oblasti maximálně přípustného svodu je na koridorech v zásadě možná. ČD měly do devadesátých let normovánu hodnotu 1 S/km, přičemž v provozu, vzhledem k "zamourovaným" tratím byly i speciální obvody pro hodnotu až 10 S/km. Od roku 1998 je normována hodnota 0,67 S/km, protože však tomuto stavu nemohly okamžitě vyhovovat všechny kolejové úseky, je regulace kolejových obvodů doposud prováděna podle regulačních tabulek pro 1S/km. Výjimkou je obvod KO 3103, kde je od roku 1999 používána regulace pro 0,67 S/km. Na nově vybudovaném koridoru, s novým typem kolejového svršku, je možné odhadnout, že kolejové obvody mohou být regulovány pro svod cca 0,4 S/km (tedy na hodnotu obvyklou u zahraničních správ). Změnou regulace v tomto smyslu lze dosáhnout větší rezervy pro cizí vlivy. Výsledkem bude ovšem pouze povolení

76

zvýšeného cizího ovlivnění pouze na konkrétní trati, což může vyvolat problémy při mimořádnostech, vyžadujících jízdu rušící soupravy po jiných tratích než koridorových. Další možností jak zvýšit rezervu v kolejových obvodech je jejich rekonstrukce změnou konstrukčních prvků, případně i při změně regulace podle předchozího odstavce. V úvahu přichází použití výhodnějších stykových transformátorů nebo přijímače s vyšším koeficientem vypnutí (viz dále). Jako kritickou konfiguraci dvoupasového obvodu při hodnocení cizích vlivů uvažujeme nesymetrii 100%. Předcházení této úplné nesymetrii jinými prostředky by umožnilo snížit působení cizího vlivu na kolejový obvod. Jediné nám známé technické řešení (administrativní nepovažujeme pro ČD za vhodné) je použito u FS. Toto řešení je však závislé na celkovém řešení ochran na trakční soustavě (sací transformátory, zemní lana atd.) a je tedy bez podstatných komplikací nepřenositelné. Po zvážení všech okolností rychlé řešení problému tímto směrem nedoporučujeme, protože obsahuje příliš velké riziko neúspěchu při vynaložení velkého úsilí a tedy i velkých nákladů v málo probádané oblasti mezi energetikou a zabezpečovací technikou. Úroveň užitečného signálu v kolejích je zdola limitována zejména normou předepsaným fritovacím napětím (minimální napětí mezi kolejovými pasy ve volném stavu) a potřebnou zakončovací impedancí kolejového obvodu (optimalizovanou z hlediska šuntovaného a havarijního stavu) a nezbytně požadovaným příkonem pro kolejovou fázi přijímače. V této oblasti není příliš mnoho prostoru pro volbu a tak rozhodující roli zde hrají (v klasických dvoupasových obvodech) vlastnosti stykového transformátoru. Zhora je pak omezení dáno nároky na příkon kolejového obvodu. Prosté zvýšení užitečné úrovně signálu v koleji (samozřejmě při současném zatlumení přijímače) by mělo za následek úměrný vzrůst potřebného příkonu kolejového obvodu s druhou mocninou.

7.6

ANALÝZA KOLEJOVÝCH OBVODŮ PRO ČD Z HLEDISKA RUŠENÍ

Při analýze problému cizího vlivu byl zkoumán vliv různých parametrů na rezervu v šuntové citlivosti jednotlivých typů kolejových obvodů. Výsledky ukazují, že optimálně navržené : •

• •

klasické dvoupasové obvody s dvoufázovým reléovým přijímačem (kv=0,5) pro autoblokové tratě, splňující požadavky ČD (svod kolejového lože 1 S/km, technická délka 1,5 - 2,0 km, kontrola lomu koleje, šuntová citlivost 0,1 Ohm, signální kmitočet 75 Hz) nemohou mít prokazatelnou rezervu pro cizí vlivy větší než cca 100 mA. Totéž se týká kolejových obvodů pro stanice (svod kolejového lože 1 S/km, technická délka 1,0 km, kontrola lomu koleje, šuntová citlivost 0,1 Ohm, signální kmitočet 275 Hz), tytéž obvody při změně požadavku na maximální svod z 1 S/km na cca 0,5 S/km (změnou regulace, tedy novými regulačními tabulkami) mohou dosáhnout rezervy pro cizí vliv cca 200 mA, dalšího zvýšení odolnosti proti cizím vlivům je možné dosáhnout při použití přijímače s podstatně lepšími parametry, tedy elektronického přijímače.

V případě kolejových obvodů provozovaných u ČD je možné výše uvedené závěry vztáhnout na kolejové obvody KO 3400, KO 3500, KO 4300, KO 3600. U kolejových obvodů KO 3102 a 3103 je situace poněkud jiná. U těchto obvodů byla dána přednost tomu, aby používaly stejné stykové transformátory jako kolejové obvody 275 Hz (DT 075). Vývoji tohoto typu stykového transformátoru věnoval výrobce (AŽD) velkou pozornost, takže vznikl kompaktní transformátor bez oleje, uložený v plastové skříni. S parametry tohoto transformátoru je ovšem možné dosáhnout při frekvenci 75 Hz rezervy pro cizí vlivy cca 200 mA pouze při zachování jejich dnešní nízké (ale českým normám zatím vyhovující) šuntové citlivosti 0,06 Ohm. Obdobný závěr platí i pro starší obvody typu KO 3100 a 3200 (KAV/FID). Dále analýza ukazuje, že při optimálním návrhu kolejového obvodu, s optimálním stykovým transformátorem a s elektronickým přijímačem (s koeficientem vypnutí ≥ 0,7) lze realizovat kolejové obvody s šuntovou citlivostí lepší než 0,1 Ohm, i při maximálním svodu 1 S/km a přípustném rušení na signální frekvenci 75 Hz v úrovni cca 500 mA, na signální frekvenci 275Hz v úrovni cca 300 mA. V následujících tabulkách jsou shrnuty výsledky analýzy. Jsou zde uvedeny rozhodující parametry stávajících obvodů a obvodů navržených s novým elektronickým přijímačem.

77

Kolejové obvody 75 Hz 75 Hz Označení obvodu Typ přijímače Trakce Techn. délka [km] Odpor přívodů nap./rel. Šuntová citlivost Max. svod k.o. [S/km] Dvoufázový nap. systém s fáz. posunem Příkon kol. fáze při max. délce [VA] Limit rušení [A] Typ styk. trafo Rok schválení

3102

3103

3110

3111

3500

3510

3511

3600

3610

3611

DSŠ-P st./ss.

DSŠ-P st./ss.

EFCP st./ss.

EFCP st./ss.

DSŠ-P ss.

EFCP ss.

EFCP ss.

DSŠ-P st.

EFCP st.

EFCP st.

1,5

1,6/1,5

1,6

1,6

1,5

1,5

1,6

1,5

1,5

1,6

50/100

50/150

200/200

200/200

0,06

0,06

0,1

0,1

0,1/0,08

0,1

0,1

0,1/0,08

0,1

0,1

1

0,67

0,67

0,67

1

1

0,67

1

1

0,67

-

90°

90°

90°

135°

45°

45°

135°

45°

45°

200

112

116

253

61

60

87

46

30

25

50/100 100/200 100/100 100/100 100/200 200/200

0,1 0,1 0,5 0,5 0,1 0,6 0,6 0,1 0,4 0,4 DT-0,75 DT-0,75 DT-0,75 DT-0,75 DT-0,2 DT-0,2 DT-0,2 DT 1-150 DT 1-150 DT 1-150 1981 1999 2004? 2004? 1978 2004? 2004? 1981 2004? 2004?

Komentář: • je patrné, že problém s nízkou šuntovou citlivostí a nízkou odolností proti rušivým signálům je nový přijímač EFCP schopen velmi dobře vyřešit, • problém vysoké spotřeby a nízkých odporů vedení pro vzdálení výstroje nemůže nový přijímač podstatně ovlivnit, protože příčina tkví v nevhodném stykovém transformátoru DT 0,75 pro frekvenci 75 Hz, • problém vysoké spotřeby a nízkých odporů vedení pro vzdálení výstroje dobře řeší použití stykových transformátorům DT 0,2 -1000 na stejnosměrné trakci (KO3500) a DT 1 - 150 na střídavé trakci (KO3600). Jejich použitím se příkon redukuje na cca polovinu, a současně se redukuje potřeba sdružování žil (u KO 3102/3103 až šestinásobné), • pokud bude použit s těmito stykovými transformátory přijímač EFCP, zvýší se šuntová citlivost a zvýší se odolnost kolejových obvodů k rušivým proudům. Použitím KO3511 a KO3611 se dále redukuje potřeba sdružování žil vedení, • obvody KO3110/3111 byly úspěšně provozně ověřeny v žst. Č. Třebová (Parník) a žst. Adamov. Kolejové obvody 275 Hz

78

275 Hz Označení obvodu Typ přijímače Trakce Techn. délka [km] Odpor přívodů nap./rel. Šuntová citlivost Max. svod k.o. [S/km] Dvoufázový nap. systém s fáz. posunem Příkon při max. délce [VA] Limit rušení [A] Typ styk. trafo Rok schválení

4300

4310

4311

4320

4321

DSŠ-S st./ss.

EFCP st./ss.

EFCP st./ss.

EFCP st./ss.

EFCP st./ss.

1,2

1

1,2

1

1,2

50/100

50/100

50/100

50/100

100/150

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

1

1

0,67

1

0,67

90°

90°

90°

45°

45°

160

61

63

37

42

0,1 DT-0,75 1982

0,2 DT-0,75 2004?

0,3 DT-0,75 2004?

0,3 DT-0,75 2004?

0,3 DT-0,75 2004?

Komentář: • nově navržené obvody KO4310/4311 s přijímačem EFCP kromě snížení příkonu (cca na třetinu) zjednodušují výstroj - odpadá transformátor u relé a duplicitní napájecí transformátory pro delší obvody, • při změně převodu stykového transformátoru z 1:21 na 1:42 (přepnutím odbočky na stávajícím stykovém transformátoru) a optimalizací fázových poměrů lze dosáhnout dalšího snížení příkonu při zvětšení odporů přívodu, takže ani ve větších stanicích by nebylo třeba používat sdružování kabelových žil (KO4320/4321), • obvody KO 4310/4311 byly úspěšně provozně ověřeny v žst. Č. Třebová (Parník) a žst. Adamov.

7.7

OVĚŘOVÁNÍ VLIVŮ

Ověřování vlivů lze v různých fázích života zařízení provádět teoreticky nebo praktickými zkouškami. V etapě návrhu se vychází z teoretických rozborů, provedených na základě podrobné znalosti elektrické výzbroje hnacího vozidla popř. jiných silových obvodů. Teoretické rozbory musí být v rámci typové zkoušky (vozidla, trakčního zařízení atd.) vždy doplněny praktickými zkouškami na hotovém zařízení. Smyslem těchto zkoušek je při různých stavech ovlivňujícího zařízení zaznamenat ovlivňující proud, analyzovat ho (tj. oddělit z něj složku nebo složky, které mohou mít negativní vliv na činnost kolejových obvodů) a porovnat velikost ovlivňujících složek s dovolenými limity ovlivnění. Problémem při analýze signálu je skutečnost, že se ve většině případů nejedná o jevy stacionární, ale jevy výrazně proměnné s časem, momentálním stavem ovlivňujícího zařízení a případně dalších prvků. Měřící aparatura musí všechny tyto okolnosti reflektovat. Na obr. 7-17 je blokové schéma vhodného zařízení. Snímač musí snímat proudy, tekoucí ovlivňovaným zařízením. V případě, že je vyšetřován galvanický vliv jediného hnacího vozidla není nezbytné, aby snímaný proud byl proud tekoucí kolejovým obvodem. Je možné snímat proud v odpovídajícím místě na hnacím vozidle, popř. proud vracející se do napájecí stanice, tak jak je to praktické právě s ohledem na proměnnost měřených hodnot. Pokud ovšem má být vyšetřen celkový vliv vozidla (včetně případného vlivu magnetického pole vozidla), nezbývá než uskutečnit alespoň část měření na trati s modelovým kolejovým obvodem a výsledky porovnat s hodnotami naměřenými na vozidle nebo v trakční napájecí stanici.

79

Komentář

Snímač

Záznam

Analyzátor

Filtr

Obr. 7-17

Snímač musí být volen tak, aby zachytil s dostatečnou přesností celé zájmové frekvenční spektrum s ohledem na dynamiku signálu. Je vhodné aby sejmutý signál byl uložen ve dvou úrovních - poprvé jako celkový snímaný signál, podruhé jako signál bez dominantní složky (na stejnosměrné trakci složka stejnosměrná - snadno proveditelné, na střídavé trakci složka 50 Hz - obtížně proveditelné). Filtrace, jejímž účelem je zlepšení dynamických poměrů pro uložení i analýzu té části spektra, která je předmětem zájmu, nesmí ovšem nepříznivě ovlivnit věrohodnost výsledků. Je vhodné, aby záznamové médium umožňovalo současně se signály uložit i komentář, popisující všechny rozhodné okolnosti, za nichž jsou data získána. Před měřením je nezbytná kalibrace celého měřícího řetězce (nejlépe injektováním kalibračního signálu v oblasti dominantní složky i v oblasti zájmových kmitočtů) a zjištění rušivého pozadí. Analýza se provádí obvykle ve dvou etapách - poprvé jako orientační během vlastního měření a snímání hodnot, podruhé jako detailní analýza záznamů po skončeném měření. Zvláštní pozornost zaslouží již zmíněná proměnlivost měřených hodnot. Řešením je taková analýza, která umožní prohlédnout a vyhodnotit celý záznam souvisle, bez vynechaných míst, ale přitom natolik váženě, aby byly vyloučeny krátkodobé jevy (včetně odezev na ně, způsobených měřícím řetězcem), které nejsou schopny nepříznivě ovlivnit kolejový obvod. V současné době se vyhodnocení provádí selektivním voltmetrem postupně nastavovaným na jednotlivé zájmové frekvence (tj. pracovní frekvence kolejových obvodů) a celé záznamy se opakovaně projíždí a časový snímek je dokumentován na grafu v souřadnicích Ir a t, s parametrem kmitočet (kmitočtové pásmo) a stav hnacího vozidla, při kterém byl snímek pořízen. Nově se používají metody s využitím real-time analyzátorů a wavelet analýzy, zatím co automatické digitální analýzy na vybraných vzorcích ze záznamu byly odmítnuty pro nebezpečí, že i při značném množství vzorků může být pominuto něco důležitého. Přitom dosavadní zkušenosti ukazují, že při praktických zkouškách je třeba věnovat zvláštní pozornost následujícím stavům : a)

vozidla : - vlivu kmitočtů pulzního měniče v závislosti na rychlosti a proudovém odběru vozidla, - vlivu různých stupňů poměrného tahu , - vlivu stavu hnacího vozidla (normální chod pulzních měničů, poruchový chod pulzních měničů, vyřazení jednoho podvozku, nesymetrie usměrňovacího můstku, filtr, atd.), - kombinaci více vozidel v napájecím úseku,

b) napájecí stanice : - tolerance, symetrie a čistota napájecí sítě, - vliv poruch usměrňovacího můstku (u ss trakce), - vliv filtru a jeho poruch (u ss trakce).

7.8

ZÁVĚR K PROBLEMATICE RUŠENÍ

Včasnou dohodou mezi výrobci hnacích vozidel a zabezpečovacími techniky se ČD podařilo zvládnout nástup vozidel druhé a třetí generace a zavedení topných agregátů do motorové trakce tak, že z tohoto titulu nevznikly prakticky žádné provozní problémy s kompatibilitou hnacích vozidel a kolejových obvodů. K tomu nepochybně přispěla skutečnost, že těmto otázkám se trvale a ve spolupráci věnovali

80

pracovníci obou odvětví. Po dohodě výrobců lokomotiv a ČD byly do provozu připuštěny pouze pulzní měniče s pevnými řídícími kmitočty 33,3 Hz, 100 Hz a 300 Hz, které sami, ani jejich harmonické složky, neleží v oblastech kmitočtů vyhrazených u ČD pro kolejové obvody. Impulsní měniče s plynule řízeným kmitočtem nebyly u ČD připuštěny k provozu. Při zavádění nových hnacích vozidel s asynchronními motory se jen s obtížemi daří udržet rušení na vyhrazených pásmech 75 Hz a 275 Hz v dovolených limitech, přičemž v některých případech je vliv v ostatních vyhrazených (dnes nevyužívaných) pásmech překračován. Problematická je také dlouhodobá účinnost filtračních obvodů, jejichž doladěním bylo při typových zkouškách zajištěno dodržení limitních hodnot. Není také známo, jak se tyto hodnoty daří dodržet u dalších sériových výrobků. ČD (přesněji SŽDC) se musí jednoznačně rozhodnout, zda jsou obecně ochotny upravit infrastrukturu tak, aby umožnila vyšší hodnoty rušení hnacích vozidel než 100 mA, nebo zda budou trvat na stávajících limitech pro všechna vozidla. V prvém případě se úpravy musí týkat postupně všech kolejových obvodů minimálně na elektrifikovaných tratích. V každém případě by se však ČD měly zajímat o všechna možná řešení. V této souvislosti je třeba připomenout, že je třeba očekávat i další tlaky na vlastnosti provozovaných kolejových obvodů, např. (ať již ze strany TSI nebo reálných vlastností nových kolejových vozidel) na to, aby naše kolejové obvody měly standardně šuntovou citlivost minimálně 0,1 Ohm. Dodnes i na nových koridorech provozované KO 3100/3200 (KAV-FID) a stále ještě budované kolejové obvody KO3102/3103 této hodnoty nedosahují. Obecně řečeno, je nezbytné se kolejovými obvody dále a fundovaně zabývat, protože se po výstavbě nových koridorů změnily vnější podmínky jejich činnosti a vstupují v platnost nová opatření pro interoperabilitu, přičemž s novými technologiemi jsou možná i další netradiční řešení. Vůbec není třeba, aby ČD setrvávaly ve stavu, který byl charakteristický pro 70tá a 80tá léta. K tomu ovšem musí ČD do nového programu investovat, nebo alespoň přestat mu bránit.

81

8 8.1

MĚŘENÍ MĚŘENÍ PARAMETRŮ KOLEJOVÉHO VEDENÍ

Měření parametrů kolejového vedení vychází v zásadě z metod známých ze sdělovací techniky. Zvláštnosti kolejového vedení se ovšem projeví jak v metodice, tak v praktickém provádění.

8.1.1 Měření "naprázdno - nakrátko" Základní význam má měřící metoda "naprázdno - nakrátko", vycházející z měření vstupní impedance kolejového vedení naprázdno a nakrátko. Z podílu rovnic (2-21) a (2-22) pro případ I2 = 0, tedy naprázdno, dostaneme

Z10 =

U10 U 2 cosh γl Z0 = = U2 tgh γl I 10 sinh γl Z0

(8-1)

a pro případ U2 = 0, tedy nakrátko, dostaneme

Z 1k =

U 1k I 2 Z 0 sinh γl = = Z 0 tgh γl I 1k I 2 cosh γl

(8-2)

Ze součinu a podílu rovnic (8-1) a (8-2) plyne

Z 0 = Z 10 Z 1k tgh γl =

(8-3)

Z 1k Z 10

(8-4)

a s přihlédnutím ke vztahům (2-27) je pak vztah mezi primárními a sekundárními parametry kolejového vedení

z = Z0 ⋅ γ ; y =

γ Z0

(8-5)

Výše uvedený jasný a jednoduchý postup má dva praktické problémy. Prvním je potřeba vyčíslit γ ze vztahu (8-4), druhým je potřeba získat z měření hodnoty Z10 , Z1k jako komplexní hodnoty (modul i argument). Pro vyčíslení γ je možné postupovat podle následující úvahy. Při substituci

Z 1k = M = M ∠m Z 10 platí

tgh γl =

e γl − e − γ l =M e γ l + e − γl

(8-10)

a tedy (po vynásobení čitatele i jmenovatele zlomku výrazem eγl ) je

e 2 γl =

1+ M . 1− M

Je-li γ = B + j A , je možné výraz (8-11) psát jako

82

(8-11)

e 2Bl ⋅ e j2Al =

1+ M 1− M

(8-12)

a po jeho úpravě pro separaci modulu a argumentu bude

(1 − M )

2 2

e ∠2Al = 2 Bl

+ 4 M 2 sin 2 m

1 − 2 M ⋅ cos m + M

2

∠arctg

2 M sin m 1 − M2

(8-13)

Z porovnání modulů

(1 − M )

2 2

e

2 Bl

=

+ 4 M 2 sin 2 m

1 − 2 M ⋅ cos m + M 2

⎛ 1 ⎜ B = ln⎜ 2l ⎜ ⎝

⎞ + 4 M 2 sin 2 m ⎟ ⎟ 1 − 2 M ⋅ cos m + M 2 ⎟ ⎠

(1 − M )

2 2

(8-14)

a argumentů

2Al = arctg A=

2 M sin m 1 − M2

1 ⎛ 2 M sin m ⎞ arctg⎜ ⎟ ⎝ 1 − M2 ⎠ 2l

(8-15)

se již snadno vyčíslí, že

γ=

(B

2

)

+ A 2 ∠arctg

A B

(8-16)

pokud ovšem M < 1. Pro M = 1 by jmenovatel ve vztahu (8-15) byl roven 0, pro M ≅ 1 a pro M > 1 budou vztahy (8-14) a (8-15) určeny (vzhledem k průběhu obou funkcí) s velkou chybou. Je tedy tento postup prakticky omezen na případy, kdy pro naměřené hodnoty vstupních impedancí platí, že Z10 > Z1k (příklad průběhu impedancí Z10 a Z1k pro 75 Hz a svod 1 S/km je na obr. 8-1).

83

2

Z (Ohm)

Z1o

Zo

1

Z1k

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

l (km)

Obr. 8-1 Pokud tedy při měření bude naměřena hodnota M ≥ 1, je nutné zkrátit délku měřeného vedení. Na kolejových obvodech je obvykle obtížné jejich rozpojování, ale snadno lze provést doplňující měření nakrátko při zkratu kolejového obvodu ve vzdálenosti lp < l. Pro takové měření platí

U1kp = I 2 Z0 sinh γl p I1kp = I 2 cosh γl p

(8-17) (8-18)

a tedy

Z1kp =

U1kp I1kp

= Z 0 tgh γl p

(8-19)

a výraz (8-4) se změní na

tgh γl p =

Z 1kp Z0

(8-20)

přičemž hodnota Z0 je nadále určena vztahem (8-3). Vyčíslení γ pak probíhá stejně jako v předchozím podle výrazů (8-14) a (8-15), ovšem s dosazením zkrácené délky lp namísto původní délky l.

8.1.2 Určení svodu aplikací metody "naprázdno - nakrátko" za speciálních podmínek Způsob vyčíslení hodnoty γ z hodnot impedancí naprázdno a nakrátko uvedený v předchozím odstavci vyžaduje, aby impedance byly změřeny co do modulu i argumentu. Taková měření v polních podmínkách jsou ale velice nepříjemná pro svou složitost a pracnost. Proto se tato metoda používá pouze pro přesné stanovení parametrů kolejového vedení a pro orientační měření se využívají různá zjednodušení. Budou-li u impedancí naprázdno a nakrátko z předchozího odstavce změřeny pouze moduly, lze naměřené hodnoty použít k alespoň částečnému stanovení primárních parametrů kolejového vedení. Ze změřených modulů impedancí Z10 a Z1k (přímo, nebo prostřednictvím změřených napětí a proudů v obvodu naprázdno a nakrátko) lze určit absolutní hodnotu vlnové impedance Z0 a absolutní hodnotu hyperbolické tangenty γl. Odtud, při vyjádření nekonečnou řadou

84

γ l = argtgh γ l = γ l +

( γ l) 3 ( γ l) 5 + + ⋅⋅ ⋅ 3 5

Pro tgh γl < 0,5 lze, s přesností přijatelnou pro měření, zanedbat vyšší mocniny γl a uplatnit zjednodušení

tgh γl ≅ γl . Vztahy (8-3) a (8-4) pak budou mít, s přihlédnutím ke vztahům (8-6) a (8-7), podobu

Z 20 = Z10 Z1k = γl =

z y

(8-19)

Z1k = l⋅ zy Z10

(8-20)

Odtud lze bez obtíží vyčíslit modul měrné podélné impedance a, pokud lze zanedbat příčnou kapacitu, měrný svod:

z= z =

Z1k l

;

y=

1 Z10 ⋅ l

8.1.3 „Americká“ metoda určení svodu Předpokládejme, že při měření hodnot I10 a Ux v uspořádání podle obr. 8-2 bude vzdálenost x zvolena tak, že platí

U 1 = x y ⋅ l I 10

(8-21)

Obr. 8-2 Ze základních rovnic platí

U 20 sinh γl Z0 U x = U 20 cosh γx

I 10 =

(8-22) (8-23)

Dosadí-li se tyto vztahy na pravou stranu rovnice (8-21), bude

cosh γx 1 = Z0 sinh γl y⋅l

(8-24)

Výrazy pro hyperbolický sinus a kosinus lze nahradit příslušnými nekonečnými řadami

85

γ 2 x2 γ 4 x4 + + ⋅⋅⋅ 1 ! ! 2 4 = Z0 y⋅l γ 3l 3 γ 5 x 5 γl + + + ⋅⋅⋅ 3! 5! 1+

(8-25)

Vezmou-li se dále v úvahu pouze první dva členy řad a z řady pro sinh se vytkne γl, bude

⎛ γ 2 x2 ⎞ 1+ ⎟ Z ⎜ 1 2 ⎟ = 0⎜ y ⋅ l γl ⎜ γ 2l2 ⎟ ⎟ ⎜ 1+ ⎝ 6 ⎠

(8-26)

a protože

Z0 1 = γ y

(8-27)

je patrné, že výchozí předpoklad (8-21) bude splněn když

⎛ γ 2 x2 ⎞ ⎟ ⎜1+ 2 ⎟ =1 ⎜ γ 2l2 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ 1+ ⎝ 6 ⎠

(8-28)

Z této podmínky lze snadno vyčíslit, že

l2 = 0,58 ⋅ l 3

x=

(8-29)

Za tohoto předpokladu lze z hodnot I10 a Ux přímo vyčíslit (s použitím vztahu 8-21) měrný svod

y=

I 10 Ux ⋅ l

(8-30)

8.1.4 Měření na neohraničeném obvodu Změříme-li impedanci naprázdno uvnitř neohraničeného kolejového obvodu podle obr. 8-3, pak

Z vst =

Z0 2

Ze vztahů mezi primárními a sekundárními parametry plyne

z = Z0 ⋅ γ ; y = Obr. 8-3

γ Z0

(8-8)

a po dosazení za gama z první rovnice do druhé bude (opět za předpokladu, že lze zanedbat příčnou kapacitu)

y=

86

z z = . 2 Z 0 (2 ⋅ Z vst ) 2

Tento výsledek sice přímo implikuje nenáročný způsob měření svodu v kolejovém obvodu bez zásahů do jeho výstroje, ale aby výstroj na koncích kolejového obvodu neovlivnila přesnost měření, je třeba použít frekvenci řádově desítky kHz. Použití tedy závisí na oboru svodů, které mají být měřeny a na konstrukci svršku, zda lze příčnou kapacitu kolejového vedení zanedbat.

8.2

MĚŘENÍ IMPEDANCÍ

Z předchozího vyplývá, že při měření primárních parametrů je často třeba získat celou hodnotu impedance (modul i argument). To je možné měřením proudu, napětí a fázového vztahu mezi nimi, nebo přímo měřením impedance pomocí impedančních můstků. Na obr. 8-4 je principiální schéma a na obr. 8-5 fázorový diagram střídavého Wheatstoneova můstku s vedlejší rovnováhou. Z fázorového diagramu je zřejmé, že změnou odporu R1 lze dosáhnout rovnováhy Ux = U1, při níž bude platit, že Zx = R1. Poté lze například změnou odporu Ra provést druhé vyvážení tak, aby platilo U2 = U4. Pak platí i

Ra + R3 + R2 U − U2 R + R3 + R2 2 = cosϕ x = 2 = a . U2 R2 2R 2 Bude-li dále například R3 = R2=500Ω, pak

cosϕ x = R a ⋅ 10 −3 . Pokud by se vyskytly pochybnosti o orientaci úhlu (kapacitance nebo induktance), je možné provést přídavné měření s paralelně připojenou známou impedancí k hledané hodnotě Zx.

Obr. 8-5 Obr. 8-4

8.3

MĚŘENÍ FÁZE

Při měření na kolejových obvodech je častou potřebou zjištění fázových poměrů mezi určitými signály. K tomu je sice možné využít obecně známé metody jako metoda tří voltmetrů, nebo osciloskopické metody, ale praktičtější je použití speciálních měřících přístrojů - fázoměrů. Fázoměry mohou být obecně založeny na platnosti kosinové věty (podobně jako metoda tří voltmetrů), na principech obdobných jako u fázových detektorů nebo na měření doby mezi průchody dvou napětí nulou. Různé fázoměry mají různý rozsah měřených hodnot (90°, 180°, 360°) a různou citlivost na neharmonické průběhy. V praxi ČD se nyní uplatňují dva typy přístrojů. První, připravený na VŠDS a vyrobený Metrou Blansko pod označením PU 440, využívá synchronní detekce, tedy principu uvedeného na obr. 3-4. Napětí Up je však v tomto případě také upraveno

87

na obdélníkový průběh a znormováno a tedy stejnosměrná složka výstupního signálu nabývá maximální kladné hodnoty při nulovém fázovém posuvu, nulové hodnoty při posuvu 90° a maximální záporné hodnoty při posuvu 180°, čili

U 0 = k ⋅ ( 90 − ϕ ) . Indikátorem je pak typově analogový miliampérmetr s nulou uprostřed (samozřejmě s vhodně ocejchovanou, o 90° posunutou, téměř lineární stupnicí). Problémem tohoto přístroje je zejména měřící rozsah, který v daném provedení činí 180 °, což může u kolejových obvodů při nepozornosti vést k nepříjemným záměnám. Nověji se používá digitální fázoměr typu DMF 93, připravený a vyráběný ve VÚŽ, který je založen na principu měření průchodu obou vstupních napětí nulou ve stejném směru (např. ze záporných hodnot do kladných). Při takovém průchodu jednoho signálu se spouští čítač měřících impulzů a čítání končí po době Tϕ, při průchodu druhého signálu nulou ve stejném směru. Současně se obdobně měří délka periody signálu Tp. Načte-li se během doby Tϕ nϕ měřících impulzů a za dobu Tp np měřících impulzů, je fázový posuv signálů

ϕ=

nϕ np

⋅ 360 [°].

Výbornou vlastností těchto přístrojů je měření v celém rozsahu 360 ° a s přesností, která je v podstatě dána dostatečným počtem měřících pulzů za periodu sledovaných signálů. Problémy těchto přístrojů se objeví v případě, že je měřen vícevlnný průběh, při němž v jedné půlperiodě dojde k dalším průchodům nulou. V takovém případě bude výsledek měření hrubě zkreslen. Pokud jsou pochybnosti, je třeba při měření tvar signálu kontrolovat.

88

9

PROJEKCE A ÚDRŽBA

Projekcí kolejových obvodů pro podmínky ČD se obšírně zabývá norma TNŽ 34 26 14, údržbou pak předpis ČD T120. Kromě těchto podkladů jsou pro každý novější konkrétní typ kolejového obvodu (cca od roku 1974) zpracovány tzv. regulační tabulky, které detailně určují výstroj, vlastnosti, způsob nastavení, vnější podmínky, popř. zvláštnosti. Současně s regulačními tabulkami musí být dnes pro každý paralelní kolejový obvod zpracován průkaz bezpečnosti, který dokládá, že chování kolejového obvodu je ve smyslu zabezpečovací techniky bezpečné i při jednotlivých uvažovaných poruchách. Tento dokument by měl obsahovat i zhodnocení spolehlivosti kolejového obvodu při toleranci součástí. Průkaz bezpečnosti je pak jedním z hlavních dokladů pro schvalovací řízení tak, jak je o něm pojednáno v úvodní publikaci [15].

89

Část II. - Bodové prostředky

Zařízení této kategorie z principu svého provedení detekují přítomnost železničního vozidla, popř. jeho nápravy na předem stanoveném místě. Detekční prostor těchto zařízení je omezen vzdáleností několika centimetrů, maximálně metrů. Z hlediska přístupu k bezpečnosti je u těchto zařízení požadováno, aby při jejich poruše byl hlášen stav „obsazeno“, ačkoliv bezpečné vyhodnocení informace, přijímané navazujícím systémem může být vázáno též na správný sled ovlivňování několika sousedících bodových prostředků. Úroveň implementace výše uvedeného přístupu je, stejně tak jako je tomu u jiných prvků, použitých v zabezpečovací technice, dána jejich skutečným technickým provedením. I bodové prostředky mohou mít různou úroveň bezpečnosti a bezporuchovosti; jejich reálné použití je proto dáno jednak těmito vlastnostmi, jednak strukturou navazujících systémů. Použití těchto zařízení pro účely kontroly volnosti/obsazení uceleného kolejového úseku je možné výlučně za předpokladu aplikace dalších technických opatření. Těmito opatřeními jsou především zařízení pro kontrolu celistvosti vlaku a počítače náprav. V dalším textu jsou bodové prostředky detekce železničních vozidel rozděleny podle principu své funkce, tj. podle druhu vstupní informace, kterou od železničních vozidel zpracovávají.

10

SPECIFICKÉ APLIKACE KOLEJOVÝCH OBVODŮ

Vlastnosti kolejového obvodu, známé z předchozích kapitol, je možné využít i tehdy, je-li délka kolejového obvodu omezena na velmi krátkou vzdálenost. Toto omezení je možné dosáhnout např. situováním izolovaných styků, nebo použitou frekvencí kolejového obvodu. V těchto případech je pak kolejový obvod možno pojímat jako bodový prvek, neboť již neslouží k detekci obsazení uceleného úseku, nýbrž k detekci železničního vozidla v určitém, prostorově omezeném místě. Jako kolejového obvodu ve funkci bodového prostředku je možno využít jak kolejového obvodu paralelního, tak i sériového. V každém případě se jedná o specifický způsob detekce železničních vozidel, který je založen na elektrickém propojení kolejnicových pásů jejich nápravami. Jestliže se tedy jedná z hlediska principu funkce o detektor přítomnosti železničního kola, z hlediska funkce jde o detektor přítomnosti vozidla. Co se týče přístupu k bezpečnosti této kategorie zařízení, tato plně odpovídá uplatněnému principu kolejového obvodu, tj. v případě sériového kolejového obvodu je jako bezpečnější výstup uvažována „volnost“, u kolejových obvodů paralelních pak „obsazení“. Konkrétní požadavky na bezpečnost, zajišťovanou těmito zařízeními ovšem, jak již bylo výše uvedeno, závisejí na jejich aplikaci. Uveďme proto jednu z nich, která je nejčastěji používána pro účely logiky přejezdových zabezpečovacích zařízení. Touto aplikací je „Anulační soubor elektronický“, známý pod označením ASE, který se skládá ze dvou sousedících sériových neohraničených kolejových obvodů, pracujících v pásmu 50 kHz. Tyto kolejové obvody jsou zpravidla umístěny přímo v prostoru křížení silnice a koleje, popřípadě v jeho bezprostřední blízkosti, a poskytují logice přejezdového zařízení informaci o skutečnosti, že vlak toto místo obsadil a poté opustil. Na základě této informace pak přejezdové zařízení ukončuje dávání výstrahy účastníkům silničního provozu. Základním bezpečnostním požadavkem, vyplývajícím z výše popsaného způsobu chování zařízení, je, aby falešným ovlivněním ASE nemohlo dojít k vyslání informace o průjezdu vlaku logice přejezdu předtím, nežli se vlak sám v tomto místě nacházel. Toho je dosaženo přesným nastavením vzdálenosti mezi připojovacími místy obou kolejových obvodů tak, aby podle níže uvedeného obrázku nebylo možné

90

přiložením šuntu v jediném místě vyvolat aktivační úroveň signálu současně na přijímačích obou kolejových obvodů. Současně se ovšem žádá, aby pohyb jediného šuntu celou oblastí citlivosti ASE vyvolal postupně správnou sekvenci obsazování a uvolňování kolejových obvodů ASE. Výše uvedené protichůdné požadavky vyplývají jednak z potřeby zabránit ovlivnění ASE kovovými částmi silničních vozidel, jednak pak z nutnosti zajistit správnou činnost logiky přejezdového zařízení i v případě jízdy železničního vozidla s jedinou šuntující nápravou. Souhrnně je tedy možno uvést, že činnost přijímačů obou kolejových obvodů ASE je vyhodnocována logikou přejezdových zařízení tak, že jen v případě současného obsazení a následného postupného uvolnění obou obvodů smí být vydán povel k ukončení výstrahy přejezdového zařízení.

obvod A

aktivační úroveň přijímaného signálu

detekční úsek při pohybu jediné nápravy ve směru B -> A

Obr. 10-1

B

vozovka

deaktivační úroveň přijímaného signálu

detekční úsek při pohybu jediné nápravy ve směru A -> B

Princip funkce kolejového obvodu typu ASE

91

11

DETEKTORY KOL

Detektor kola je zařízením, využívajícím podle své konstrukce mechanických nebo magnetických vlastností železničního kola.

11.1

MECHANICKÝ DETEKTOR

V minulosti byly realizovány různé více či méně úspěšné pokusy detekce kol, využívající jeho mechanických parametrů. Mezi ty využitelné patří rozměr kola a tlak kola na kolejnici, kterým je na jízdní dráhu přenášena tíha železničního vozidla. Zařízení, využívající tlaku kola na kolejnici jsou realizována na principu detekce průhybu kolejnice. Tento průhyb je možno snímat buď přímo, nebo jej převést na detekci změny tlaku kolejnice na detekční zařízení prostřednictvím hydraulického nebo pneumatického přenosu této informace. V současné době je ovšem pro svou spolehlivost v největší míře používáno zařízení, která jsou založena na detekci rozměrů kola. Tento způsob detekce má velkou přednost ve skutečnosti, že rozměry kola, a zejména jeho detekovatelné části, tj. nákolku, jsou standardizovány v rámci UIC, a poskytují tak možnost aplikace těchto zařízení pro detekci prakticky všech druhů vozidel bez ohledu na místo aplikace. Nejjednodušším typem této kategorie detektorů je tzv. „pedál“, tj. zařízení, připevněné ke kolejnici, jehož vysunutá část je „sešlapávána“ nákolkem železničního kola. Změna polohy vysunuté části je využita k rozepínání a spínání kontaktů připojených elektrických obvodů. Přestože jde napohled o velmi primitivní zařízení, je v zabezpečovací technice některých železnic široce využíváno právě pro svou jednoduchost, a také schopnost detekovat jednotlivé projíždějící nápravy i při rychlostech přesahujících 200 km/h. Principiálními částmi zařízení jsou kovová skříňka s torzní tyčí, absorbující energii úderu kola při průjezdu nad vyčnívající částí tyče a současně překládající elektrické kontakty. Návrat tyče do základní polohy je zpomalován olejovým tlumičem. Ten zajišťuje požadované zpoždění přechodu do základního stavu kontaktů.

skříňka

výstup

torzní tyč

kontaktní sada Obr. 11-1

Obr. 11-2

92

Mechanický detektor v základním stavu

Mechanický detektor ovlivněný nákolkem

Mechanické detektory kol jsou konstruovány ve dvou základních variantách: • nesměrové, vybavené jedinou tyčí (ramenem) • směrové, vybavené dvěma rameny Je zřejmé, že pokud je detektor vybaven dvěma rameny a dvěma kontaktními sadami, je navazující logika, která signály z něj vyhodnocuje, schopna z postupného ovlivňování obou ramen (a přeneseně kontaktů) rozpoznat směr pohybu vozidla. Časové zpoždění, o kterém byla v předcházejícím textu zmínka, slouží právě pro navazující logiku. Ta totiž může vyžadovat detekci každé jednotlivé nápravy - pak je tlumení návratu ramene nastaveno na minimální hodnotu a logikou může být sledován počet náprav. Druhou možností je potřeba detekce celých vozidel, popř. vlaku - pak je zpoždění nastaveno na hodnotu, která až do stanovené minimální rychlosti průjezdu vozidel nad čidlem zajistí jejich nepřerušené snímání (max. hodnota bývá cca. 15 - 20 s, tj. při uvažovaném rozvoru 20 m min. rychlost 1 m.s-1, což ve většině aplikací postačí). Co se týče provedení takového zařízení z hlediska požadavků zabezpečovací techniky, je nutno konstatovat, že požadavky na něj kladené, tj. přechod do stavu obsazeno v případě poruchy, tato kategorie zařízení zpravidla jako autonomní systém nesplňuje. Příčinou je jednak jeho snadná falešná ovlivnitelnost, jednak obvykle provedení kontaktního systému. Kontaktní systém by totiž musel být proveden podle požadavků, kladených na relé 1. skupiny bezpečnosti funkce, tj. minimálně zajišťovat spoluchod kontaktů a jejich nesvařitelnost. Mezi představitele tohoto druhu zařízení patří detektor kola firmy SILEC, typově stejný druh zařízení je vyráběn např. též firmou ADtranz ZWUS Katowice.

11.2

ELEKTRONICKÝ DETEKTOR

Snímače, využívající elektrických vlastností kola, jsou podstatně složitějšími zařízeními, ale narozdíl od těch mechanických lze při určité volbě jejich konstrukce a zapojení jejich detekci neovlivnění železničním kolem považovat za bezpečnou ve smyslu předchozího popisu funkce bodových prostředků. Způsobů, jakým je snímána přítomnost železničního kola je několik. Jejich základní podstatou je však vždy schopnost detektoru kola reagovat na přítomnost vodivého materiálu v magnetickém poli, které snímač produkuje. Změny, které jsou takto průjezdem kola vyvolávány, jsou transformovány připojenými elektrickými obvody do podoby signálu, přenášeného do místa, kde je vyhodnocení průjezdu vozidla vyžadováno. Zařízení se zpravidla skládá ze dvou základních částí: • vlastní detektor kola • elektronická připojovací skříňka

11.2.1 Detektor s fázovou detekcí signálu Detektor kola se pro rozlišení směru ovlivnění obvykle skládá ze dvou sousedících vysílacích hlav na vnější straně kolejnice a ze dvou hlav přijímacích, nacházejících se na vnitřní straně kolejnice. Vysílací hlava generuje okolo detektoru kola magnetické pole, které je ovlivňováno nákolkem kola železničního vozidla. Pokud se v jeho blízkosti nenachází žádné kolo, pak výsledné magnetické pole indukuje v přijímací hlavě střídavé napětí referenční fáze. Pokud se kolo přiblíží, siločáry elektromagnetického pole procházejí kolmo k ose přijímací cívky. Výsledný magnetický tok přijímací cívkou je neúčinný, indukované napětí je nulové. Nachází-li se kolo nad středem kolového čidla, jsou siločáry natolik odkloněny, že procházejí přijímací cívkou v negativním úhlu a indukují proto napětí posunuté o 180 stupňů. Připojovací skříňka má za úlohu napájet obě vysílací hlavy kolového čidla a zpracovávat signál od hlav přijímacích. Její základní částí je impulsní zesilovač, umístěný v těsné blízkosti kolejnicového kontaktu mimo profil koleje (max. 4 m). Zpracovaný signál je dále posílán po přenosovém vedení do navazující logiky zabezpečovacího zařízení.

93

Kolejnicové kontakty jsou napájeny LC oscilátory s frekvencemi v pásmu 30 kHz, a to buď frekvencí shodnou pro obě vysílací hlavy, nebo naopak, z důvodu zvýšení odolnosti proti falešnému ovlivnění, frekvencemi různými. Přijatý signál je v přijímacím dílu zesílen a fázově (porovnáním s vysílanou fází jako referenční) usměrněn. Prahová logika pak vyhodnocuje úroveň a polaritu signálu a rozhoduje, zda je přítomno kolo či nikoliv. Prahová logika rozpíná výstupní signál, generovaný v připojovací skříňce, který je v základním stavu tvořen dvěma frekvencemi (každá hlava má svoji frekvenci) v pásmu 5 kHz, a to v rytmu ovlivňování čidla nápravami. Takto klíčovaný signál je přiváděn dvoužilovým vedením na vstup navazující logiky. Tímtéž vedením je elektronika připojovací skříňky z navazující logiky zpravidla napájena.

α

Vysílač

Přijímač

Obr. 11-3

Detektor kola, kolo nepřítomno

Vysílač

Přijímač

Obr. 11-4

Detektor kola, kolo v blízkosti detektoru

β

Vysílač

Přijímač

Obr. 11-5

94

Detektor kola, kolo nad detektorem

Vysílače

Připojovací skříňka

5.x kHz

T 30 kHz

G 30 kHz

G

U T

I F 5.y kHz

Přijímače

U T IF

Napájecí zdroj Trigger Rozhraní k přenosovému vedení

Obr. 11-6

Blokové schéma zapojení připojovací skříňky I.

Typickým představitelem výše popsaného způsobu činnosti zařízení je detektor kol typu SK-30 firmy ALCATEL.

11.2.2 Detektor s úrovňovou detekcí signálu V případě sestavy detektor kol - připojovací skříňka je možné se setkat i s poněkud jiným řešením, než je vyhodnocování fáze napětí, indukovaného v přijímací cívce. Takovým řešením je detekce úrovně indukovaného napětí a stanovení jeho prahové hodnoty pro překlopení výstupu ze stavu „volno“ do „obsazeno“ a opačně. Detektor kol sestává opět ze dvou, v jedné jednotce sestavených elektronických kontaktních systémů. Při průjezdu nad čidlem zvyšuje feromagnetická hmota kola indukčnost vazby mezi vysílací a přijímací cívkou a stoupá tak napětí, indukované v přijímacím dílu. Ze změny amplitudy a jejího časového průběhu je možné rozlišit nápravu a její směr. Připojovací skříňka pak obsahuje generátor sinusového signálu pásma 30-40 kHz, kterým jsou napájeny vysílací hlavy čidla. Při absenci kola nad čidlem je v obou přijímacích hlavách indukováno konstantní střídavé napětí. Toto napětí je z obou hlav nezávisle vedeno přes zesilovací stupně na usměrňovače. Usměrněný signál řídí multivibrátor, produkující vlastní frekvenci signálu do přenosového vedení, v pásmu 5 kHz (jinou pro každou hlavu - f1 ,f2). Výstupním filtrem je pásmová propust naladěná právě na frekvenci f1 (f2). Signál frekvence f1 (f2) je pak vysílán k navazující logice. V opačném směru je obdobně jako v případě předcházejícího typu kolového čidla může být celé zařízení napájeno. Přítomnost kola v oblasti čidla zvýší napětí indukované v přijímací hlavě a následkem toho i frekvenci multivibrátoru. V důsledku posunu frekvence dojde k útlumu signálu Uf1 (Uf2) výstupním filtrem signál je klíčován nápravou.

95

Vysílače

Připojovací skříňka

Π

U/f

I F

G

U

30 kHz ----

G

U/f

5.x kHz

Π

5.y kHz

Přijímače

U U/f Π IF

Napájecí zdroj Měnič napětí / frekvence Pásmová propust Rozhraní k přenosovému vedení

Obr. 11-7

Blokové schéma zapojení připojovací skříňky II.

Výše uvedený způsob řešení je typický například u detektorů kol typu ZP43 firmy SIEMENS. Všechna dosud uvedená způsoby zařízení využívala k detekci kola systém, vyžadující montáž přijímacích cívek na jinou stranu kolejnice než jsou cívky vysílací. Dalším charakteristickým znakem této generace zařízení je využívání tónové frekvence k přenosu signálu mezi detektorem a místem vyhodnocení, informujícím o stavu detektoru kola svým harmonickým průběhem.

11.2.3 Kompaktní detektor V poslední době je ovšem možné se setkat s poněkud odlišným způsobem řešení obou uvedených záležitostí. Detektor kol je tvořen jediným tělesem, které se instaluje na vnitřní stranu kolejnice a obsahuje jediný vysílač signálu a dva přijímače. Vysílač a přijímače tvoří laděné oscilační obvody, pracující na téže frekvenci. Přítomnost kola způsobí deformaci elektromagnetického pole a jeho zatlumení elektricky vodivou masou kola. Důsledkem zatlumení je pokles napětí, indukovaného v přijímací cívce pod prahovou hodnotu a návazně reakce prahového obvodu. Výstupem z prahového obvodu je v základním stavu konstantní stejnosměrný proud ve smyčce detektor kola - vyhodnocovací skupina (cca. 4 mA). Proudová smyčka je přerušována v rytmu průjezdu kola nad detektorem. Zvláštností je zde způsob propojení s vyhodnocovací skupinou. Z důvodu použití přenosu střídavého signálu zde není možno využít jediného páru pro přenos signálu z obou hlav a navíc tímto

96

vedením celou soustavu napájet. V případě detektoru se stejnosměrným výstupním signálem je nutno použít pro každou přijímací část vlastní žílu v kabelu. Další separátní vedení je pak nutné pro přenos energie k detektoru kol, takže minimální potřeba popisovaného uspořádání detektoru kol jsou 4 žíly.

Kryt

Vysílač

Přijímače

Obr. 11-8

Uspořádání detektoru kol FRAUSCHER

Uvedený systém je dnes používaný detektory kol firmy FRAUSCHER. Vzhledem k uspořádání kolového čidla je zřejmé, že jeho sestava umožňuje snadné vyhodnocení směru jízdy vlaku. K jeho použití jako vozidlového čidla je ovšem nutno příslušným způsobem vytvořit navazující logiku, samotný kolejnicový kontakt ani připojovací skříňka toho nejsou schopny.

97

12

DETEKTORY VOZIDEL

Detektory vozidel jsou zařízení, primárně konstruovaná pro detekci masy železničního vozidla. Tím je dána jejich schopnost registrovat přítomnost / nepřítomnost železničního vozidla, popř. celé soupravy vozidel, tj. vlaku nebo posunového dílu, nikoliv však rozlišovat jejich počet.

12.1

VOZIDLOVÁ SMYČKA

Vozidlová smyčka je zařízením, které se skládá ze dvou základních částí: • napájecí a vyhodnocovací část • snímací část Snímací část je tvořena kabelovou smyčkou, přiloženou zpravidla k vnitřní patě kolejnic a tvořící uvnitř koleje osmičku. Tento tvar je nutný proto, aby byly eliminovány proudy, vyvolané rušivým napětím indukovaným z okolního prostředí, zejména z kolejnic (např. topné proudy, zpětné trakční proudy). Napájecí a vyhodnocovací část je elektronickou výstrojí zařízení, která napájí vlastní smyčku a snímá změny elektrických veličin, související s ovlivněním elektromagnetického pole smyčky materiálem železničního vozidla. Tyto změny jsou příslušným způsobem vyhodnocovány a vysílány v požadovaném formátu do navazujícího zabezpečovacího zařízení. Co se týče praktické realizace vozidlových smyček, v nám blízkém okolí jsou používány smyčky firem SIEMENS, PINTSCH BAMAG a SCHEIDT & BACHMANN. Vzhledem k tomu že posledně jmenovaná firma je na špičce vývoje těchto systémů, bude v dalším prezentován právě její systém FSSB 60/80 pro detekci vlaku.

Obr. 12-1

Uložení vozidlové smyčky v koleji

Vozidlový snímač typu FSSB 60/80 sestává z následujících částí: • dvě indukční smyčky • připojovací skříňka Indukční smyčka je ve tvaru „osmičky“ připevněna k patě kolejnice. Její celková délka cca. 6.5 m je rozdělena do dvou stejně velkých obvodů, obsahujících 5 pražcových polí. Indukčnost smyčky je zvýšena sériovým zapojením všech tří žil, z nichž kabel sestává - jedná se vlastně o ztrojení smyčky. „Osmičkový“ tvar smyčky zajišťuje, že proud, který smyčkou protéká, indukuje v kolejnicích dvojí napětí shodné velikosti, avšak o 180° fázově posunuté, tj. ve svém důsledku se nulující. Takto je vyloučeno jakékoliv vzájemné elektrodynamické působení mezi kolejnicí a smyčkou. Vně oblasti smyčky se tak nenachází žádné zbytkové magnetické či napěťové pole. Samozřejmě i opačně pak platí, že proudy, tekoucí kolejnicí, ať už rušivého nebo provozního původu, nemají žádný vliv na vlastnosti smyčky.

98

Ovlivnění smyčky je z výše uvedených důvodů možné jen nad místem její instalace. Toto ovlivnění může být dvojího druhu: • ovlivnění masou vodivého materiálu • nápravovým šuntem vozidla Ovlivnění masou: magnetické pole indukční smyčky generuje v kovových dílech kolejového vozidla vířivé proudy. Tyto vířivé proudy zatěžují magnetické pole obdobně jako ohmický spotřebič. Odběr energie ve svém důsledku způsobí zmenšení indukčnosti. Jako následek se zvýší rezonanční frekvence. Ovlivnění šuntem: uvnitř smyčky je možno ji ovlivnit zkratovým obvodem nápravy. Tento totiž zkratuje nejen kolejnicové pásy, ale i odpovídající plochu smyčky. Takto vytvořený zkratový prstenec taktéž zmenšuje indukčnost. V praxi dochází k ovlivňování smyčky z obou důvodů. Kabel smyčky je zcela izolován od kolejnic, čímž je dosaženo úplného galvanického oddělení. Kolejové obvody nebo izolované kolejnice nemají žádný vliv na činnost smyčky. Stejně tak na smyčku nepůsobí jakékoliv zkratovací propojky nebo izolované styky vně oblasti vlastní smyčky. Naopak je velmi důležité dbát na to, aby se uvnitř smyčky nenacházely žádné elektrické / magnetické nehomogenity. Připojovací skříňka obsahuje zejména modul dvojitého oscilátoru, který přísluší dvěma (oběma) smyčkám. Úlohou elektroniky ve skříňce je mimo jiné také galvanické oddělení DC/DC měničem, nastavení a generování frekvence pro každou smyčku (60 kHz, 80 kHz), přenos informace k navazující logice. Pro nastavování frekvence obsahuje skříňka kapacitní stupně až do úrovně 40.8 nF, neboť je nutné uvažovat indukčnost vlastní smyčky, která je, v závislosti na svršku, v rozsahu 250 - 300 μH. Pro vyhodnocení informace, které se provádí v navazující logice, je rozhodující změna frekvence, vyvolaná masou (šuntem) kolejového vozidla. Tato frekvence je pro umožnění přenosu signálu běžným zabezpečovacím kabelem před odchodem z připojovací skříňky zmenšena dělením v poměru 1 : 640. Jak už bylo zmíněno, z jedné skříňky jsou napájeny dvě smyčky; stejně tak jsou jedním společným informačním vedením přenášeny signály z obou smyček, a to v proudové smyčce cca. 20 mA, střídavě v intervalu 13.33 ms. Induktivní smyčky se nejčastěji využívají pro ovládání přejezdových zabezpečovacích zařízení. Z hlediska přístupu k bezpečnosti platí pro vozidlové smyčky obecně totéž jako pro jiné bodové prostředky pro detekci vlaku - za méně bezpečnost ohrožující stav je považován výstup „detektor obsazen“. Pokud mají být vozidlové smyčky použity v aplikaci, u které tento přístup není postačující (např. registrace průjezdu vlaku), musí být smyčky zdvojovány a vybaveny příslušnou vyhodnocovací logikou tak, aby krátkodobou poruchou smyčky nemohlo dojít k nebezpečnému výstupu v podobě předčasného hlášení.

12.2

IDENTIFIKÁTOR VOZIDLA

Systém identifikace vozidel je založen na principu označování každého jednotlivého železničního vozidla (tj. lokomotiv, osobních i nákladních vozů) speciálním štítkem. Informace, které tento štítek nese, pak mohou být snímány ve čtecích bodech a porovnávány s údaji, které o sestavě vozidel ve vlaku nese médium, do něhož jsou vlaky zadávány. Způsob kódování a přenosu informací ze štítku na čtecí zařízení může být různý; provozně ověřeny jsou například čipové „identifikační karty“. Předpokladem využití takového způsobu kontroly pohybu vozidel v síti je centrální jednotka pro celý takto řízený region, jeho aplikace je proto vázána na komplexní systémy řízení dráhy a sledování pohybu vozidel. Problematické je však zajištění bezpečnosti. Tyto systémy (označované jako AVI Automatic Vehicle Identification) jsou konstruovány pro účely manažerského řízení dráhy a zlepšení styku se zákazníkem a nezajišťují tedy bezpečnou detekci vozidla ve smyslu zabezpečovací techniky.

99

13

POČÍTAČ NÁPRAV

Počítač náprav je zařízení, využívající bodových prvků ke kontrole volnosti/obsazení uceleného úseku. Z bodových prvků, uvedených výše, je k tomuto účelu určen detektor kol. Pro kontrolu volnosti nerozvětveného kolejového úseku jsou potřeba alespoň dva páry těchto snímačů, jeden na každém konci kolejového úseku. Pár a nikoliv jen jeden prostý snímač zde musí být umístěn proto, aby počítač náprav mohl vyhodnotit směr pohybu vlaku, pohybujícího se na hranici úseku, a tak správným způsobem nápravy přičítat nebo odečítat. Informace z detektorů kol jsou přivedeny do vyhodnocovací jednotky, která pak na základě přicházejících signálů vyhodnocuje volnost nebo obsazení úseku, popř. směr jízdy vlaku a počet jeho náprav. Z hlediska bezpečnosti detekce kolejového vozidla je možno počítač náprav přirovnat k paralelnímu kolejovému obvodu - zařízení je schopno bezpečně indikovat volnost kontrolovaného úseku, při poruše hlásí jeho obsazení. Jestliže ovšem kolejový obvod je schopen detekovat nápravu v kterémkoliv místě své délky, od počítače náprav takovou schopnost očekávat nelze, a proto je potřeba dbát na to, aby železniční vozidla poctivě jezdily po kolejích a neskákaly z nich a na ně kde se jim zlíbí. • • • •

Základní konfigurace počítače náprav sestává z: počítacích bodů (detektorů kol) přenosového vedení vlastního počítače napájení

dohlédaný kolejový úsek

počítač náprav U=

Obr. 13-1

Principiální zapojení počítače náprav

Princip detektorů kol byl již objasňován, informace od nich jsou přenášeny vedením s požadovanými vlastnostmi na vlastní počítač, odkud je zpravidla týmž vedením kolové čidlo i napájeno. Vlastní počítač se obvykle nachází v místě soustředění logiky zabezpečovacího zařízení (stavědlová ústředna ap.), jeho úlohou je přijatá data zpracovat a vyhodnocovat trvale aktuální stav kontrolovaného úseku. Nezbytnou součástí systému je napájení, které musí být zaručeno jako nepřerušované, neboť jakýkoliv jeho výpadek vede k poruchovému obsazení úseku nezávisle na jízdě vlaku. Na počítač náprav jsou kladeny vysoké spolehlivostní požadavky. Doporučení UIC 790 požaduje maximální četnost chybného započítání 2.10-6 náprav, výrobci obvykle garantují pravděpodobnost chyby výrazně menší.

100

13.1

ČÍTAČOVÉ POČÍTAČE NÁPRAV Příkladem řešení počítačů náprav může být zařízení od firmy ALCATEL, pracující na principu

čítače. Přenosovým vedením je jeden pár v kabelu s vlastnostmi sdělovacího vedení. Při běžně používaném průměru žíly 1 mm je maximální vzdálenost počítacího bodu od vlastního počítače 7 km (pokud je počítací bod napájen z místního zdroje, pak až 14 km). Pro přesné přizpůsobení na příchozí vedení slouží přizpůsobovací díl na kartě vstupního zesilovače, který je vybaven aktivními filtry. Při vstupu signálu na vyhodnocovací skupinu je tento zesílen a přiveden na směrový diskriminátor. Zpracované impulsy jsou přivedeny na binární čítač. Ten řídí relé obsazení B. Při nulovém stavu čítače je relé B odpadlé, při jiném stavu je přitaženo. V koncových pamětech ES1 a ES2 je kontrolována volnost zařízení. ES1, ES2 spolu se směrovou pamětí ZRS řídí relé volnosti F. Celý počítač je prověřován staticky i dynamicky. Poruchy nebo výpadky libovolného dílu zařízení zamezí nejpozději po jízdě vlaku hlášení volnosti.

Detekce kol Hlášení náprav

Přizpůsobení a zesílení (vstupní zesilovač)

Tvarování počítacích impulsů (směrový diskriminátor)

Při- a odpočítávání náprav (čítač)

Statická kontrola detektorů (vstupní zesilovač)

Dynamická kontrola detektorů (směrový diskriminátor)

Dynamická kontrola čítače (směrový diskriminátor)

Řízení relé obsazení B (jednotka výstupu)

B

Řízení relé volnosti F (jednotka výstupu)

AWP

F

Kontrola činnosti relé F a B Obr. 13-2

Zapojení vyhodnocovací skupiny počítače náprav ALCATEL A3

101

Kontakty obou relé jsou zapojeny do reléové skupiny, která kontroluje správný sled jejich činnosti. Výstupem této reléové skupiny je „kolejové relé“ jako pro klasický kolejový obvod. Počítač náprav je možno v případě chybného započítání nouzově uvolnit (plombované tlačítko). Toto uvolnění je možné jen tehdy, pokud poslední registrovaná náprava byla z kontrolovaného úseku odpočítána; tak se je zajištěno, že nedojde k omylem lidského činitele např. k uvolnění mezistaničního úseku obsazeného vlakem.

13.2

MIKROPROCESOROVÉ POČÍTAČE NÁPRAV

V dnešní době se od realizace počítačů náprav binárními čítači upouští a jejich místo zabírají počítače na bázi mikroprocesorové techniky. Takovým příkladem je i počítač náprav typu Az S 350 firmy SIEMENS. Tento počítač využívá přenosového vedení shodných parametrů i rozsahu jako počítač ALCATEL A3. Hlavním rozdílem oproti předcházejícímu typu je skutečnost, že počítač Az S 350 je mikropočítačový systém pracující na principu 2 ze 2 s využitím u dodavatelské firmy široce rozšířené struktury SIMIS. Signál od počítacího bodu je veden přes pásmovou propust na modul zesilovače a trigger. Výsledné impulsy zpracovává nezávisle jeden i druhý procesorový a řídící modul. Výstupem každého procesorového modulu jsou dvě relé, pracující v inverzním režimu. Kontakty všech čtyř výstupních relé tvoří dva galvanicky oddělené řetězce, z nichž vždy jen jeden je vodivý. Na výše uvedené řetězce je připojena reléová logika vně počítače, obsahující relé „kolejové“ a kontrolní, jež nepřetržitě sleduje synchronní činnost obou řetězců. Při jakékoliv poruše počítače dojde k překlopení kontrolního relé a k nevratnému obsazení kolejového úseku. Vlastní struktura počítače je na bázi mikroprocesorů 8085 s taktovou frekvencí 2 MHz. K dispozici je 2K RAM a EPROM o rozsahu 8K. Níže uvedené základní funkční schéma začíná resetem systému. Následuje inicializace programových parametrů, řízená resistentním programem, uloženým v EPROM. Po inicializaci se rozbíhá on-line zkušební program SOPP. Kompletní přerušitelný průběh trvá cca. 2 minuty. Mimo to SOPP běží trvale v pozadí jako program s nejnižší prioritou a je opouštěn při kterémkoliv přerušení.

Reset systému Inicializace programu

SOPP přerušení vstupy nebo zpracování ?

1

0 Hlavní program Výstupy Obr. 13-3

102

Základní struktura běhu programu

vstupní paměť

vstupy ?

1

náprava ?

0

1 rozpoznání směru aktualizace datové paměti

vyhodnocení datové paměti prověření systému výstupní hlášení volno/obsazeno

0

vstupní paměť zpracována ?

1 SOPP

Obr. 13-4

Hlavní program

Stejně jako u předcházejícího počítače, i tento disponuje prvkem pro nouzové uvolnění kolejového úseku, a to za shodných podmínek. Bezpečnost systému je, jak už bylo zmíněno, zajištěna koncepcí 2 ze 2. Pokud dojde k odhalení nepřípustného stavu, následuje deaktivace výstupů obou mikroprocesorů a galvanické odpojení výstupních reléových obvodů. Toto odpojení je nevratné; k uvedení do základního stavu je nutný reset mikroprocesorů.

103

13.3

NOVÉ GENERACE POČÍTAČŮ NÁPRAV

V předchozích částech byly popsány základní vlastnosti počítačů náprav tak, jak jsou využity v převážné většině aplikací. Od počítačů náprav, vzhledem k jejich uspořádání, lze ovšem očekávat více než jen pouhou informaci o volnosti kontrolovaného úseku. Z hlediska funkce je počítače náprav schopen vykonávat: • Počítání náprav v kolejovém úseku • Korekce chyb pro kolejové úseky v traťovém bloku - v případě zařazení několika počítacích úseků za sebou je možno při odchylném výsledku některého z nich výsledek celého mezistaničního úseku příslušně korigovat a zabránit tak poruchovému stavu • Přemostění vadného počítacího bodu pro traťový blok i staniční zařízení - obdobně jako v předchozím případě lze tentokrát propojit dva sousedící počítací úseky, tj. konfigurovat je jako úsek jediný • Vyhodnocování stavu kolejového úseku v závislosti na poloze výhybek - při osazení stanice počítači náprav je možno uspořit počítací body tak, že se počítací úseky rekonfigurují podle polohy výhybek vytvářejí se tak virtuální kolejové úseky • Vyhodnocení směru jízdy vlaku

virtuální kolejový úsek 1 1

2 virtuální kolejový úsek 2

virtuální kolejový úsek 1/2 1

2

Obr. 13-5

104

Využití informace o polohách výhybek pro rekonfiguraci kolejových úseků

V závislosti na požadavcích navazující logiky lze od počítače náprav snímat tyto výstupy: • Volnost/obsazení úseku • Počet náprav v počítacím úseku • Počet náprav celé délky vlaku Pozn.: Počet náprav v počítacím úseku je v případě krátkého úseku jen vyjádřením aktuálního počtu náprav železničních vozidel, ne tedy nutně počtem náprav celé soupravy. Z hlediska aplikace zařízení lze uvažovat následující druhy provozu: • staniční • traťový (blok) • přejezdový - u této aplikace jsou použity dva počítací úseky, které přes sebe přesahují v místě vlastního křížení silnice a železnice; velmi důležité je zde rozlišení směru jízdy železničních vozidel V některých případech, kdy je předem zřejmé, že nebude možno zajistit správnou funkci počítače náprav, je možno uplatnit speciální požadavek: • deaktivace (výluka) počítacího bodu - jeho ovlivnění je ignorováno, využije se například při jízdě vozidel na kolej, která není vybavena počítacím bodem Je-li potřebné různým způsobem kombinovat kolejové obvody a úseky kontrolované počítačem náprav, je nutné využívat časových konstant: • Přechod ze stavu volno do obsazeno bez zpoždění - neprodlená detekce obsazení • Přechod ze stavu obsazeno na volno s volitelným zpožděním Je evidentní, že uvedenou širokou paletu funkcí je možno dosáhnout jen při aplikaci mikroprocesorů do technologie počítačů náprav, a to zejména pro počítací body, neboť např. pro rekonfigurovatelnost počítacích úseků je potřebná maximální míra jejich autonomie, zapojení v síti s vlastní adresou ap. Stejně tak je zřejmé, že efektivní použití některých speciálních vlastností je možné jen za předpokladu dostatečně inteligentních navazujících zabezpečovacích zařízení (vzájemné vazby elektronické stavědlo - počítací body ap.).

105

14

INDIKACE CELISTVOSTI VLAKU

Možnost zajistit přímo na palubě vlaku bezpečnou informaci o skutečnosti, že vlaková souprava je kompletní, je pradávným snem všech inženýrů zabezpečovací techniky. Důvodem je snaha odstranit pevná traťová zařízení pro kontrolu volnosti koleje (kolejové obvody, počítače náprav,...), která jsou velmi drahá. Naneštěstí oříšek, který ve svém nitru ukrývá to správné řešení, není tak jednoduché rozlousknout. Již v počátcích vlakové dopravy měla tomuto účelu sloužit průběžná vzduchová brzda, jak ji koneckonců známe dodnes. Naneštěstí není řídkým jevem, že přestože dojde k roztržení vlaku, jeho přední část pokračuje v jízdě, poněvadž lokomotiva je schopna doplňovat tlak v brzdovém potrubí bez skokového nárůstu výkonu. Proto byly hledány jiné způsoby jak problém řešit. Velice jednoduché je to v případě, kdy se v určité ucelené oblasti pohybují výlučně nedělitelné jednotky. Tam je problém vyřešen jaksi sám od sebe. Jelikož toto však není běžný stav, je nutné hledat jinou alternativu. Celkem logicky se nabízí možnost zavěšovat na poslední vůz vlaku zařízení, které by bylo v trvalém spojení s řídícím stanovištěm. Toto řešení je schůdné, a je též u některých železnic využíváno, vyžaduje ovšem disciplínu dopravních zaměstnanců při jeho umísťování a též okolí, které není železnici nepřátelské. Jelikož je tedy silně závislé na lidském činiteli, je jako systémové opatření nepřijatelné. Jinou možností je přivěšovat na konec vlaku vozidlo s řídícím stanovištěm, zařízením pro komunikaci s jinými částmi zabezpečovacího zařízení již vybaveným. Toto řešení však opět pro svou nákladnost pokryje jen nepatrné množství případů. Vývoj tohoto typu zařízení stále pokračuje. Jednou z možných cest je návrat k detekci tlaku v brzdovém potrubí, avšak s podstatně přesnějším rozlišením toku vzduchu v něm. Za smíšené zařízení kontroly celistvosti a počítače náprav by bylo možné považovat systém, který využívá nápravových snímačů s integrovaným počítačem příslušným jen a pouze připojenému snímači a hlásícím aktuální stav počtu náprav projíždějícímu vlaku. Takto není potřeba budovat signální spojení nápravových snímačů s místem, kde se informace zpracovávají (např. stavědlem), a informaci o své délce, a tedy i celistvosti při průjezdu referenčním bodem si nese sám vlak.

106

15 15.1

ZÁVĚR SYSTÉMOVÁ POTŘEBA DETEKČNÍCH PROSTŘEDKŮ

Prostředky pro detekci kolejových vozidel souvisí úzce s použitými technologickými celky pro zabezpečení a řízení dopravy. Z tohoto hlediska lze u nynějších a budoucích zařízení u ČD rozlišit následující případy hlavního toku dat a zdrojů informací: •

místní řízení (dnešní stav) : návěstidlo výpravčí

stavědlo

vlak LS

K.o. a další prvky zab. zař. Informace pro vozidla zpracovává stavědlo prvků zabezpečovacího zařízení, tedy i od obvody nebo počítače náprav). Informace prostřednictvím vlakového zabezpečovače strojvedoucího. •

na základě pokynu výpravčího a informací od vnějších klasických prvků pro detekci vozidel (obecně kolejové na vozidlo se předává pomocí návěstidel a paralelně LS (tedy kolejovými obvody), který hlídá bdělost

dálkové (úsekové) ovládání (dnešní stav) :

dispečer

jednotlivá stavědla disp. obvodu

návěstidlo vlak LS

K.o. a další prvky zab. zař. Proti předchozímu případu se pouze zvětšuje oblast, kterou dopravní zaměstnanec ovládá, přičemž se zvětšuje i rozsah jeho informací o dopravní situaci. •

dálkové ovládání se systémem ETCS 2 (připravovaný stav):

návěstidlo dispečer

jednotlivá stavědla disp. obvodu

RBC

vlak

LS K.o. a další prvky zab. zař.

107

Základní informace pro vlak je stejně jako v předchozích případech vytvořena ve stavědle a je postoupena do radioblokové ústředny RBC. V RBC je tato informace doplněna všemi dalšími náležitostmi ETCS a odtud, prostřednictvím Eurorádia (GSM-R), je dopravena na vozidlo. Výsledkem je pak u vozidel vybavených mobilní částí ETCS úplný dohled nad skutečnou rychlostí vlaku, včetně stavebních omezení atd. Základní informací o poloze vlaku (i jednotlivých vozidel) pro systém zůstávají informace získané stavědlem z klasických prvků detekce vozidel. Informace o poloze vlaku získané na základě vozidlové odometrie a systému balíz jsou přídavné informace pro RBC a vozidlo, kde jsou využity jen pro dílčí funkce (související zejména s formováním a odesíláním zpráv na vozidlo a kontrolou vozidla). Zachování návěstidel a systému LS je důležité pro přechodovou fázi, kdy se na trati budou pohybovat i vozidla nevybavená ETCS. Při uvážení reálné délky přechodové fáze je z hlediska bezpečnosti potřeba zachování LS neoddiskutovatelná (jinak by došlo ke snížení stávající úrovně bezpečnosti) a z ní pak vyplývá další jednoznačná orientace na kolejové obvody na koridorech. Po dovybavení všech vozidel pohybujících se v daném úseku tratě mobilní částí systému ETCS, může být systém LS a část návěstidel (zejména oddílová) odstraněn. Hlavní návěstidla (zejména vjezdová) je účelné zachovat i nadále, protože tvoří vhodný záložní systém pro řízení dopravy i v případě úplného výpadku systému ETCS. Kolejové obvody budou dále sloužit jako nezbytný prostředek základní detekce vozidel pro vlastní funkci stavědel. Jejich náhrada jiným druhem detekčního prostředku (např. počítačem náprav + přídavnými opatřeními pro detekci lomu koleje) by sice byla v této fázi již možná, ale o smyslu a účelnosti takové náhrady lze s úspěchem pochybovat. •

dálkové ovládání se systémem ETCS 2+ (3) (předpokládaný další vývoj systému):

dispečer

RBC

vlak

vnější prvky zab. zař. Podstatná část dnešní logiky stavědel bude přesunuta do RBC (který tak ztratí dnešní charakter pouhého tlumočníka informací pro vozidlo), kde bude možné šířeji využít informace o poloze vlaku získané na základě vozidlové odometrie a systému balíz. Předpokladem pro jejich plné využití je existence prakticky použitelného zařízení kontroly integrity vlaku a 100% vybavenost všech hnacích vozidel, pravidelně se pohybujících po dané trati. Přesto i v takovém případě bude užitečný klasický prostředek zjišťování volnosti - ve stanici např. pro přesnější řešení problému posunu a odstavených souprav, na trati (alespoň s přesností na jeden mezistaniční úsek) i ve stanicích jako záložní systém, nouzový systém pro bezpečné ukončení mimořádné jízdy nevybaveného vozidla, systém pro zajištění kontroly lomu koleje a systém, který umožní bezpečný restart ETCS po jeho případném kolapsu. Shrneme-li předchozí úvahy, potřeba klasických prostředků pro detekci vozidel by se mohla v budoucnu snížit, ale z hlavních tratí ani výhledově zcela nezmizí, přičemž výhody kolejového obvodu na hlavních tratích stále nad ostatními prostředky převažují (viz dále). Pro stávající etapu budování systému ETCS u ČD by opuštění kolejových obvodů a LS znamenalo podstatné snížení poskytované bezpečnosti.

15.2

VLASTNOSTI PROSTŘEDKŮ PRO ZJIŠŤOVÁNÍ VOLNOSTI

Sériový kolejový obvod nebo detektor kola může být sám o sobě prostředkem pro zjištění, že vlak dorazil do určeného bodu, paralelní kolejový obvod nebo počítač náprav může být prostředkem pro zjištění, že určitý úsek tratě je volný. Pro dokonalejší systémy řízení a zabezpečení jízdy vlaku (např. ETCS) je však

108

problém detekce vlaku širší. Obecně jde o informaci, která popisuje místo a pohyb vlaku; je zde třeba znát přesnou polohu, ale také směr pohybu, rychlost pohybu a pokud možno i zrychlení nebo zpomalení a to u všech vlaků ve sledované oblasti. Kolejové obvody nebo bodové prostředky (typu detektor kola, počítač náprav, vozidlová smyčka) jako detekční prostředky postačují pouze u nejjednodušších systémů řízení. U složitějších systémů lze některé doplňkové informace odvodit od posloupnosti činnosti více kolejových obvodů nebo několika bodových prostředků. Nejsložitější systémy nevystačí ale ani s tím a je třeba dalších přídavných zařízení jak na trati, tak i na vozidle. Nabízí se tedy otázka, zda by tyto klasické detekční prostředky nebylo možné vůbec nahradit jinými zařízeními. Přitom se zdůrazňují zejména nevýhody kolejových obvodů : • problémy s elektrickou kompatibilitou plynoucí ze současného kolejnicemi, ukolejňování, elektrických interferencí atd., • závislost na dobrém elektrickém kontaktu kolo-kolejnice, • malá přesnost v detekci polohy, • vysoké investiční i provozní náklady,

vedení trakčního proudu

a nevýhody počítačů náprav : • • • •

problémy s nastavením a životností kolových snímačů, problémy s aktivací systému po poruše, problémy kompatibility s novými druhy brzd, vysoké investiční i provozní náklady.

Jako alternativa se uvádí systémy právě zaváděné v souvislosti s moderními vlakovými zabezpečovači: traťové majáky + odometrie na vozidle, radiobloky, kabelové smyčky, popř. radionavigační systémy. Problém ale zatím spočívá v tom, že systémy, které více méně úspěšně řeší nové požadavky, nezvládají základní problém detekce, totiž získání bezpečné informace o volnosti traťového úseku pokud připustíme možnost rozdělení vlaku (roztržení, ale i posun), či poruchy zařízení na vlaku. K získání informace o celistvosti vlaku je třeba přídavných zařízení na vlaku, která doposud stále jsou jen ve stadiu výzkumu. Pokud pak bude otázka volnosti úseku v systému zodpovídána pouze na základě znalostí, kde vlaky skutečně jsou a kterým směrem a jak rychle se pohybují, pak nemůže být dostatečně zodpovězena v okamžiku, kdy nebude známa poloha jednoho jediného vlaku. Taková situace je pro železnici těžko provozně přijatelná. Kromě toho je tu základní problém : aktivace systému po výpadku. Zatímním výsledkem je, že (s výjimkou mimořádně jednoduchých provozních poměrů) se i nejnověji budované tratě v Evropě vybavují klasickými detekčními systémy a nové požadavky se plní přídavnými zařízeními. I když lze předpokládat, že existující problémy u nových systémů se během času podaří zvládnout či alespoň omezit, bude pro železniční provoz na hlavních tratích s vysokou pravděpodobností nadále třeba klasické prostředky využívat minimálně jako záložní systém pro udržení provozu v případě poruch na hlavním řídícím systému. Je tedy nezbytné se těmto prvkům i nadále věnovat. Starý spor mezi kolejovými obvody a počítači náprav je téměř zapomenut, protože se z hlediska nových požadavků příliš neliší. Je však třeba si uvědomovat, že paralelní kolejový obvod jako jediný z detekčních prostředků : • nemá problémy při aktivaci systému (po poruše, výpadku napájení atd.) a je okamžitě bez dalšího schopen správné a bezpečné činnosti, • je schopen kontrolovat elektrickou vodivost a tím tedy alespoň částečně mechanickou celistvost kolejnic, • přitom je schopen tvořit liniový přenosový kanál pro předávání informací mezi tratí a vozidlem (přes problémy s kapacitou přenosu pro složité systémy řízení), a že počítač náprav : • nejvýhodněji překlene mnohakilometrový úsek, • problém s jeho bezpečnou aktivací po výpadku je přijatelnější na málo zatížených tratích.

109

16

LITERATURA

[1] Chudáček V., Poupě O.: Zabezpečovací technika v železniční dopravě I. díl. NADAS, Praha 1970. [2] Poupě O. a kol.: Zabezpečovací technika v železniční dopravě II. díl. NADAS, Praha 1990. [3] Brylejev A.M., Rjazancev B.S.: Kolejové obvody. Dopravní nakladatelství, Praha 1955. [4] Brylejev A.M., Kotljarenko N.F.: Električeskije relsovyje cepi. Transport, Moskva 1970. [5] Brylejev A.M., Kravcov J.A, Šišljakov A.V.: Teoria, ustrojstvo i rabota relsovych cepej. Transport, Moskva 1978. [6] Zpráva VÚŽ k úkolu Vývoj perspektivního kolejového obvodu. Praha 1980. [7] Kroutl F.: Teorie sdělovacích vedení. NADAS, Praha 1966. [8] Klewe H.R.J.: Interference between power systems and telecommunication lines. Edward Arnold LTD, London 1958. [9] Michajlov M.I.: Vlijanie vnešnich elektromagnitnych polej na cepi provodnoj svjazi i zaščitnyje meroprijatija. Svjazizdat, Moskva 1959. [10] Viktorin J.: Ochrana úložných kabelů před korozí způsobovanou elektrickou trakcí. Dopravní nakladatelství, Praha 1960. [11] Stoll K., Bečka J., Nádvorník B.: Vlivy tyristorové zabezpečovací zařízení. NADAS, Praha 1984.

regulace

hnacích

vozidel

na

železniční

[12] Zpráva VÚŽ k úkolu Ověření vlivu HDO. Praha 1983. [13] Sborník prací VÚŽ č 18. Vliv energetických zařízení na zařízení zabezpečovací. NADAS, Praha 1979. [14] Materiály UIC [15] Chudáček V. a kol.: Železniční zabezpečovací technika. Praha 2005.

110