Проблемы средств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Костанайский социально технический университет

имени академика З. Алдамжар

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Проблемы средств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ)

специальность 050901 - «Организация перевозок, движения и эксплуатация транспорта»

Островский Иван Андреевич

Костанай 2010

Введение

Основной задачей железнодорожного транспорта является качественное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозках грузов и пассажиров. Выполняя эту задачу, железнодорожный транспорт конкурирует с другими видами транспорта на рынке транспортных услуг. В этих условиях главными экономическими показателями становятся доходы и прибыль, рост которых обеспечивается не только улучшением качества перевозок, но и сокращением эксплуатационных расходов. Это определяет значение совершенствования техники и технологии производства, ускорения научно-технического процесса.

Актуальность темы дипломной работы заключается в разработке и внедрении передовых технологий средств сигнализации, централизации и блокировки на железнодорожном транспорте, позволяющим повысить эффективность и безопасность перевозочного процесса.

В соответствии с утверждёнными методическими рекомендациями по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте основным обобщающим показателем, характеризующим целесообразность применения достижений НТП, является показатель экономического эффекта.

В его величине должны найти отражение частные показатели эффективности: производительность труда и фондоотдача, материалоёмкость и энергоёмкость производства, его технический уровень и качество продукции.

В зависимости от направленности реализуемых на транспорте мероприятий научно-технического прогресса результаты могут быть оценены разными показателями.

В осуществлении процесса перевозок на железнодорожном транспорте важная роль принадлежит устройствам автоматики и телемеханики.

В данной работе внедрение более совершенных устройств автоматики и телемеханики на станциях и участках железных дорог позволяет изменить не только пропускную способность их, но и ускорить процесс перевозок, повысить его безопасность, то есть улучшить качество продукции транспорта (перевозок, услуг). Стоимостную оценку этого результата можно произвести по величине снижения расходов по перевозкам.

Они в значительной степени определяют пропускную способность участков, обеспечивают безопасность движения и позволяют полнее и эффективнее использовать все технические средства транспорта. Именно потому внедрение современных средств автоматики и телемеханики на участках и станциях железных дорог является одним из основных направлений перевооружения и развития железнодорожного транспорта.

Основными направлениями, обусловливающими максимальную эффективность модернизации технических средств, являются:

- замена устаревшего и оптимизация нового станционного и напольного оборудования;

- контроль и управление поездными операциями из единых центров диспетчерского управления;

- применение микропроцессорной техники для максимального сокращения эксплуатационных и строительных затрат.

Модернизация технических средств должна осуществляться путем их сокращения и проведения следующих мероприятий:

- замены устаревших систем ЭЦ на МПЦ или модернизации их по гибридному варианту;

- замены эксплуатируемых систем интервального регулирования на системы с применением счетчиков осей и автоматической локомотивной сигнализации с точечными каналами связи (АЛС-ТКС);

- применения централизованной системы управления.

Следует отметить, что ещё значительное место на сети дорог занимают путевые участки, где применяются системы полуавтоматической блокировки (ПАБ). В ПАБ автоматически фиксируется прибытие головы поезда на станцию, однако в них не обеспечивается автоматический контроль свободного состояния перегона, что требует привлечения работников станций для проверки прибытия поездов в полном составе. Это снижает уровень безопасности движения поездов и не позволяет подключать эти участки к системам ДЦ.

Известно, что важнейшим элементом практически всех систем железнодорожной автоматики, обеспечивающих безопасность движения поездов, являются рельсовые цепи. Они служат первичным источником информации о состоянии контролируемых участков пути. Однако в силу ряда объективных причин (низкого сопротивления балласта, ограниченной длины, отсутствия возможности изолировать рельсы от мостовых конструкций, значительных эксплуатационных расходов и т.д.) иногда технически нецелесообразно использовать рельсовые цепи. Контроль свободного состояния таких путевых участков может быть также осуществлен на принципе счета входящих и выходящих с участка колесных пар.

Целью данной дипломной работы является освещение актуальных проблем средств сигнализации, централизации и блокировки на железнодорожном транспорте Казахстана. Для достижения цели предлагается решение следующих задач:

- закрепление теоретических положений;

- приобретение практических навыков в расчёте технико-экономической эффективности от внедрения современных средств СЦБ;

- расчёт капитальных вложений;

- расчёт эксплуатационных расходов;

- расчет приведенных строительно-эксплуатационных затрат и годового экономического эффекта;

1. Аналитический обзор

сигнализация централизация блокировка железнодорожный

1.1 Теоретические основы, роль, значение и проблемы средств СЦБ

Устройства автоматики, телемеханики и связи появились на железных дорогах одновременно с началом движения поездов в первой половине XIX в. Для передачи информации на движущийся поезд предназначались семафоры, а начиная с конца XIX в.-- светофоры, которые являются основным «сигналом» на железных дорогах нашей страны и мира. Примерно с середины XIX в. начали применять устройства механической централизации, которые позволили управлять стрелками и станционными семафорами из одного централизованного поста.

Устройства автоматики и телемеханики, используемые в настоящее время на железнодорожном транспорте, по решаемым задачам и области применения делят на перегонные и станционные.

Перегонные системы регулируют движение поездов на перегонах, к ним относятся:

Полуавтоматическая блокировка (ПАБ) регулирует движение поездов на участках с неинтенсивным движением. При ПАБ правом на занятие поездом перегона является разрешающее показание выходного светофора станции. Сигнал открывает дежурный по станции, а закрывается он автоматически -- под воздействием поезда. При отсутствии блокпостов на перегоне может находиться только один поезд, что и ограничивает пропускную способность линий. Системы ПАБ начали применять в России еще с 70-х годов прошлого столетия.

Автоматическая блокировка (АБ) регулирует движение поездов при помощи путевых светофоров, установленных на перегоне, которые делят перегон на блок-участки. Показания проходных светофоров изменяются автоматически под действием движущихся поездов. Основным элементом АБ являются рельсовые цепи, главное назначение которых -- определение местонахождения поездов. По сигнальным показаниям путевых светофоров машинист определяет число свободных блок-участков перед движущимся поездом. При АБ на перегоне может быть несколько поездов, чем обеспечивается повышение пропускной способности по сравнению с ПАБ. Так, внедрение АБ на двухпутных линиях повышает их пропускную способность в 2--3 раза по сравнению с линиями, оборудованными ПА. Автоблокировку начали применять в Республике Казахстан еще в 30-х годах.

Автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС) повышает безопасность движения поездов и улучшает условия труда локомотивных бригад. При помощи устройств АЛС показания путевых светофоров передаются непосредственно в кабину машиниста. Все локомотивы и моторвагонные секции оборудованы поездными устройствами АЛС, а все линии с автоблокировкой -- путевыми устройствами АЛС. Устройства АЛС дополняют устройствами контроля бдительности, контроля скорости и авторегулирования скорости. Устройства АЛС начали применять в Республике Казахстан в 30-х годах.

Автоматический диспетчерский контроль (ДК) дает возможность сосредоточить информацию о поездной ситуации и показаниях входных и выходных станционных светофоров в пределах диспетчерского круга (около 100--300 км) на табло поездного диспетчера. Эта информация позволяет оперативно руководить движением поездов, принимая своевременные меры по выполнению графика движения. Системы диспетчерского контроля начали использовать в Республике Казахстан с начала 50-х годов.

Автоматическая переездная сигнализация и автоматические шлагбаумы обеспечивают безопасность движения поездов при пересечении железных дорог в одном уровне с автомобильными дорогами. Эти устройства автоматически включают устройства светофорной сигнализации для автотранспорта и закрывают шлагбаум при приближении поезда и открывают его после проследования поезда.

Станционные системы регулируют движение поездов на станциях и больших участках, к ним относятся:

· электрическая централизация стрелок и сигналов (ЭЦ) -- комплекс устройств автоматики и телемеханики, обеспечивающих управление стрелками и сигналами всей станции с одного пункта дежурным по станции. Главным элементом ЭЦ, так же как и АБ, являются рельсовые цепи, а основные функции выполняют реле. Электрическую централизацию Начали внедрять в Республике Казахстан с 30-х годов. За последние годы ежегодно электрической централизацией оборудуют более 8000 стрелок. Электрическая централизация повышает пропускную способность станций на 50--70% по сравнению с ручным управлением стрелками. При этом штат эксплуатационных работников сокращается на 30--50 чел. на каждые 100 централизованных стрелок;

· диспетчерская централизация (ДЦ) является наиболее совершенным и эффективным средством регулирования движения поездов на железных дорогах. Система ДЦ совмещает в себе устройства АБ, ЭЦ и кодовые системы телеуправления и телесигнализации. Она позволяет управлять стрелками и сигналами из одного пункта и дает возможность сосредоточить все распорядительные и исполнительные функции по регулированию движения поездов на участке протяженностью до 300 км у поездного диспетчера. Наиболее эффективно применение ДЦ на однопутных участках. В Республике Казахстан устройства ДЦ начали внедрять с 1936 г., а широко использовать -- с 50-х годов. В настоящее время устройствами ДЦ оборудовано более 50% железнодорожных линий и ежегодно оснащается более 300 км железнодорожных линий. Внедрение ДЦ повышает участковую скорость на 15--20% и сокращает эксплуатационный штат на 60--70 чел. на каждые 100 км линии;

· автоматизация сортировочных горок -- комплекс устройств, повышающий перерабатывающую способность сортировочных горок, который включает в себя: систему автоматического регулирования скорости скатывания отцепов (АРС), обеспечивающую необходимые интервалы между скатывающими отцепами в различных пунктах спускной части горки и нужную дальность пробега отцепов; горочную автоматическую централизацию (ГАЦ), которая служит для перевода стрелок по маршрутам следования отцепов; систему автоматического задания скорости роспуска (АЗСР), обеспечивающую реализацию переменной скорости роспуска для повышения перерабатывающей способности горок; систему телеуправления горочным локомотивом (ТГЛ), осуществляющую автоматическое регулирование скорости надвига локомотива на горку по командам с поста управления.

В настоящее время разрабатывают и внедряют систему автомашинист, устройства обнаружения перегретых букс в поездах, устройства телеуправления тяговыми подстанциями и т. д. В то же время на малодеятельных участках до настоящего времени в эксплуатации сохраняется ряд устаревших систем, а именно:

· электрожезловая система, регулирующая движение поездов по перегонам;

· механическая централизация стрелок и сигналов, обеспечивающая централизованное управление стрелками и сигналами на станциях при помощи гибких тяг;

· ключевая зависимость, осуществляющая взаимное замыкание между стрелками и сигналами.

Внедрение новых и совершенствование существующих средств автоматики и телемеханики являются основой для решения перспективной задачи -- комплексной автоматизации и механизации перевозочного процесса на железнодорожном транспорте. Эта задача решается с максимальным использованием современной элементной базы и средств вычислительной техники.

Большую роль в выполнении перевозочного процесса на железнодорожном транспорте играют устройства проводной и радиосвязи, которые позволяют вести оперативное управление и координирование работы подразделений.

Устройства телефонной и телеграфной связи, имеющиеся на раздельных пунктах, в отделениях, управлениях дорог и в Министерстве транспорта и коммуникаций, образуют единую систему транспортной связи. Они обеспечивают возможность оперативного руководства и контроля за работой всей сети железных дорог Республики Казахстан. Особое значение связь имеет для работников службы движения. Для руководства движением поездов и работой станций, оперативного контроля за выполнением графика движения поездов и плана перевозок работники службы движения должны иметь необходимые и достаточные средства связи. Хорошо налаженная и исправно действующая связь способствует повышению безопасности движения поездов, увеличению пропускной способности железных дорог и выполнению показателей эксплуатационной работы.

Министерство транспорта и коммуникаций имеет автоматическую и полуавтоматическую связь с управлениями дорог. Многие дорожные телефонные сети автоматизированы. Автоматизация многоканальной телефонной связи требует увеличения каналов связи. Эту задачу решают благодаря внедрению на дорогах высокочастотной аппаратуры и строительству кабельных и радиорелейных линий.

В связи с развитием автоматизации управления перевозочным процессом и использованием на дорогах вычислительных центров (ВЦ) организована связь для передачи информации с линейных подразделений в ВЦ и обратно в исходные пункты. На железных дорогах СНГ широко используют радио. На сортировочных и крупных участковых станциях применяют парковую громкоговорящую связь. Радиофицированы крупные вокзалы, все поезда дальнего следования и большинство пригородных поездов. На крупных станциях, сортировочных горках и т. д. внедрено телевидение.

Проводная связь. Телефонная связь может быть общеслужебной (для обслуживания работников всех служб) и специальной (для оперативного руководства движением поездов и организации перевозок). К видам общеслужебной связи относят, магистральную, дорожную, постанционную и местную телефонные связи. По общеслужебной связи возможно установить прямые телефонные соединения между любыми пунктами сети железных дорог РК. Специальными видами связи являются: поездная диспетчерская (ПДС), энергодиспетчерская (ЭДС), вагонная диспетчерская (ВГС), линейно-путевая (ЛПС), служебная связь электромехаников (СЭМ), перегонная (ПГС), дорожная распорядительная (ДРС), связь совещаний (СС), информационная (ИС), поездная межстанционная (МЖС), билетная диспетчерская (БДС), станционная распорядительная и громкоговорящая, стрелочная, деповская.

Телеграфная связь на железнодорожном транспорте служит для передачи срочных приказов, распоряжений, донесений и оперативной отчетности, требующих документального подтверждения, а также буквенной и цифровой информацией для решения оперативных задач с помощью ЭВМ.

Радиосвязь. Одним из преимуществ радиосвязи по сравнению с проводной является возможность организации связи с подвижными объектами. На железнодорожном транспорте применяют следующие виды радиосвязи: станционную, поездную, коротковолновую и радиорелейную.

Станционная радиосвязь обеспечивает связь между машинистами маневровых и горочных локомотивов с маневровым диспетчером или соответствующим дежурным по парку или горке, а также списчиков или осмотрщиков вагонов с технической конторой или составителей вагонов с машинистами маневровых локомотивов. Массовое внедрение станционной радиосвязи началось с 1948 г. и в настоящее время ею оборудованы все маневровые локомотивы.

Поездную радиосвязь стали широко внедрять с 1949 г. Она обеспечивает (как и станционная) двустороннюю телефонную связь между машинистами локомотивов, движущихся по перегонам, с дежурными по станциям или диспетчером и содействует выполнению графика движения поездов, а также повышает безопасность движения. Поездной радиосвязью оборудованы все грузонапряженные направления дорог.

Коротковолновую радиосвязь используют для резервирования магистральной и дорожной проводных связей. Радиорелейные линии на железнодорожном транспорте применяют для организации магистральной, дорожной и отделенческой связей.

Громкоговорящую связь на железнодорожном транспорте применяют для улучшения сортировочной работы и формирования поездов на крупных железнодорожных станциях и сортировочных горках, а также для информации пассажиров о прибытии и отправлении поездов и передачи различных объявлений на пассажирских станциях или трансляции радиовещания, звукозаписи в пассажирских поездах.

Индуктивная связь предназначена для связи машиниста поезда, составителя поездов и других работников, находящихся на территории железнодорожного парка, с руководителями станции.

Промышленное телевидение. Его используют для наблюдения и контроля за отдельными технологическими процессами железнодорожного транспорта.

Передача данных. В последние годы в связи с внедрением вычислительной техники на железнодорожном транспорте появился новый вид дискретной связи -- передача данных (оргасвязь). Система оргасвязи в ВЦ дорог предназначена для автоматизированной передачи данных: с низовых подразделений железной дороги в ВЦ управления с последующей передачей части обработанной информации в хозяйственные единицы (отделение, депо, сортировочные, крупные узловые и участковые станции); с низовых подразделений железнодорожной станции в свои отделения (для автоматизации оформления грузовых перевозочных документов); из отделений железных дорог в хозяйственные единицы о грузовых и коммерческих операциях; в ВЦ управления со станций соседних дорог о вагонах и поездах, следующих на данную дорогу.

В процессе эксплуатации электронных устройств СЦБ были выявлены новые, зачастую неожиданные проблемы.

Воздействия от проверочного оборудования. В ходе испытаний новых систем используются проверочные устройства, которые работают параллельно тестируемой в режиме опытной эксплуатации системе и обеспечивают безопасность эксплуатационного процесса. Эти устройства реализованы на базе релейной техники. В ходе опытной эксплуатации было выявлено их негативное воздействие на работу электронных компонентов. В частности, дребезг контактов реле приводил к помехам в работе электронных схем.

Устойчивость к климатическим воздействиям. Электронные приборы чувствительны к перепадам температуры окружающей среды, особенно к ее повышению. Опыт эксплуатации показал, что необходимо тщательно выбирать места расположения устройств электроснабжения и защищать аппаратуру от воздействий внешней среды (например, прямых солнечных лучей).

Грозозащита. Распространение волн перенапряжения при попадании молнии трудно прогнозировать. От напольных устройств эти волны могут проникнуть в постовое оборудование, что требует применения защитных устройств с коротким временем реакции. Тем не менее, трудно найти защиту от прямого попадания молнии. На СD известны случаи разрушения от ударов молнии и традиционных релейных устройств.

Электромагнитная совместимость. Устройства СЦБ не должны вызывать помехи в других устройствах и одновременно не должны быть подвержены помехам от внешнего оборудования. Мешающие воздействия, обусловленные работой устройств СЦБ, -- это прежде всего высшие гармоники, которые генерируются устройствами электроснабжения и попадают в питающую сеть. Контроль за ними необходим, поскольку в противном случае поставщик электроэнергии требует уплаты штрафов. Кроме того, должны выполняться требования международных норм по ограничению помех, влияющих на качество работы устройств радиосвязи и телевизионных приемников.

Что касается помех от внешних источников, то во время эксплуатации зафиксированы искажения изображений на экранах мониторов, обусловленные работой мобильных телефонов определенных типов при выполнении ремонтных операций в непосредственной близости от мест размещения аппаратуры. Поэтому целесообразно обеспечить экранирование электронной аппаратуры средств СЦБ. Проблемы нарушения работы рельсовых цепей из-за помех от аппаратуры управления современных локомотивов или устройств электрического обогрева вагонов поездов были решены на СD уже несколько лет назад.

1.2 Прогрессивный зарубежный опыт решения проблем СЦБ

В результате технического прогресса в области средств СЦБ традиционные системы, в том числе релейные, уходят в прошлое. Электронные компоненты и вычислительные системы утвердились уже в устройствах СЦБ всех видов. Их дальнейшее развитие нацелено на интеграцию в европейском масштабе, будь то европейская система управления движением поездов ETCS или стандартизированная система МПЦ (проект Eurointerlocking). В будущем перемены затронут и классические методы определения местоположения поездов. Этому способствуют положительные результаты испытаний новых технологий на базе спутниковых навигационных систем -- как действующей системы GPS, так и проектируемой системы Galileo.

Средства автоматизации технологических процессов в промышленности находят все большее применение в системах СЦБ, которые ранее отличались использованием специализированных технических решений. В качестве примера рассмотрена система микропроцессорной централизации Alister компании Vossloh.

В период зарождения средств СЦБ основные принципы их функционирования воплотились в механических устройствах. В 1950 - 1960-е годы те же принципы трансформировались в релейную технику. Тогда были разработаны многочисленные дополнительные функции и новые технологии, например, топографическое построение систем централизации.

При программировании первых систем микропроцессорной централизации (МПЦ) в 1980-е годы не допускались существенные отклонения от базовых принципов, заложенных в XIX в. Первостепенное значение придавалось переходу к микропроцессорной технике, поскольку уровень функциональности релейных систем был для того времени достаточным. Кроме того, предполагалось, что применение компьютеров позволит снизить расходы по сравнению с релейной техникой за счет сокращения числа аппаратных средств и увеличения протяженности зон действия постов централизации. Опыт многих стран показывает, что уменьшения затрат с внедрением МПЦ добиться не удалось. В Германии исключение составляют проекты, в рамках которых происходило объединение нескольких станций в зону действия одной МПЦ, что позволяло сократить потребность в персонале.

В других странах этот же результат был получен еще в 1960-х годах за счет внедрения телеуправления постами централизации. Там уже достаточно давно усилия были сконцентрированы на внедрении технических средств, позволяющих отказаться от линейного персонала на малых станциях, расположенных на протяженных линиях. Сначала для этого использовалась релейная техника, в дальнейшем -- компьютеры.

Необходимо проанализировать причины того, почему компактные современные компьютеры, использовавшиеся в МПЦ, не дали ожидаемого экономического эффекта. Среди этих причин в первую очередь можно назвать следующие:

1) недостаточный уровень компетентности поставщиков и заказчиков при формулировании требований к МПЦ;

2) усложнение проверки программного обеспечения МПЦ по сравнению с реле;

3) непрерывное сокращение длительности инновационных циклов, а потому быстрое старение аппаратных и программных средств, а также технологий.

Первый пункт затрагивает многих работников железных дорог и компаний-поставщиков, которые были компетентны в релейной технике и обладали общими знаниями вследствие тесных взаимосвязей между железными дорогами и промышленностью. Поскольку документация на релейные системы состоит преимущественно из схем, в период, когда потребовались массовые сокращения персонала, произошла потеря определенной части знаний об этих системах -- спецификации и обоснования тех или иных принимавшихся технических решений были недостаточно хорошо задокументированы или просто потеряны в условиях, когда носителем информации была только бумага. Из-за этого значительная часть знаний не была достаточно быстро передана следующему поколению разработчиков, а частая смена персонала только усугубила проблему.

Второй пункт обусловлен применением в МПЦ полупроводников, отказы которых являются существенно менее однозначными по сравнению с отказами реле. Более сложными стали не только аппаратные средства и ПО, но и сценарии борьбы с ошибками. В совокупности со спецификацией, допускающей неоднозначное толкование, это приводит к усложнению процедуры проверки.

Третий пункт также является следствием перехода к МПЦ: существенно возрастает зависимость от субподрядчиков, поскольку только часть аппаратных средств и ПО создается самой компанией -- изготовителем системы. Поэтому снятие с производства тех или иных компонентов влечет за собой зачастую дорогостоящие и трудоемкие изменения в техническом обеспечении. При этом убывают не только знания о релейных системах -- сейчас достаточно сложно найти разработчика, владеющего языками программирования 1980-х годов, которые использовались при создании первых МПЦ.

Успешная автоматизация технологических процессов при помощи промышленных контроллеров.

Аналогичные проблемы возникали при автоматизации технологических процессов в промышленности, однако в отличие от сферы СЦБ на железных дорогах они были успешно решены.

Прежде всего следует заметить, что управление технологическими процессами в промышленности мало отличаются от управления путевыми сигналами на железнодорожном транспорте. В общем случае речь идет о считывании состояний, обработке и последующей выдаче команд электрическим или электронным приборам. При этом есть два важных требования: безопасность и эксплуатационная готовность. При таком подходе эксплуатационный процесс на железнодорожном транспорте не отличается от работы сборочного конвейера. Обоим требованиям придается большое значение в разных отраслях промышленности. Низкая эксплуатационная готовность средств управления сборочным конвейером может быть измерена напрямую и имеет вполне определенную цену. Ошибочные результаты обработки могут приводить к катастрофическим последствиям, например, на химических заводах, где в результате неправильного смешивания химических веществ возникнет опасность для жизней многих людей.

Средства автоматики возникли в промышленности и в настоящее время охватывают все приложения, в которых необходимо управлять машинами, обеспечивать их регулирование и контроль за ними. С внедрением программируемых контроллеров в начале 1980-х годов произошли революционные изменения в развитии средств автоматизации. Технологии, использующие программируемые контроллеры, получили широкое распространение и стали промышленным стандартом. Унификация систем и применение стандартизированных технических решений позволили резко сократить затраты на автоматизацию. Это в свою очередь способствовало еще более быстрому внедрению программируемых контроллеров, число которых на промышленных предприятиях мира уже превысило 1,5 млн.

Программируемые контроллеры отличают простая структура, модульность, возможность эксплуатации в условиях неблагоприятной окружающей среды и высокая надежность. Широкое применение таких контроллеров способствовало организации требуемой поддержки их технического и особенно программного обеспечения. Большое число компаний предлагает программы и средства адаптации для специализированных интерфейсов. В мире существует развитый рынок технических решений для самых разнообразных требований клиентуры.

В промышленности не наблюдалось действие тех факторов, которые препятствовали снижению стоимости систем при переходе к микропроцессорной технике в сфере СЦБ. Это обусловлено следующим:

· в промышленности к системам автоматизации предъявляются в основном функциональные требования, в частности, ставится задача обеспечить определенные уровни эксплуатационной готовности и безопасности;

· во многих отраслях промышленности средства автоматизации внедрялись впервые, и не было груза требований, унаследованных от прежних систем. Это способствовало упрощению средств автоматизации. Кроме того, предприятия следовали стандартам, а значит была возможность использовать уже накопленные знания и опыт;

· широкое распространение программируемых контроллеров заставляет их изготовителей поставлять совместимые системы и компоненты. Поскольку многие промышленные установки имеют длительный срок службы (например, прокатные станы или электростанции), поставщики не могут предлагать средства автоматизации с сокращенным жизненным циклом.

1.3 Общие положения по определению экономической эффективности капитальных вложений на железнодорожном транспорте

Эффектом называется непосредственный производственный, полезный конечный результат, полученный от внедрения того или иного мероприятия. Эффект может быть измерен величинами показателей, повышением техники безопасности труда и т. д. достижение эффекта требует определенных затрат труда и средств на усиление мощности, на прирост производственных основных и оборотных средств. Затратами могут быть годовые эксплуатационные расходы, капитальные единовременные вложения и т. д.

Эффективностью называется отношение величины эффекта технического, эксплуатационного или экономического к величине затрат, обуславливающих получение этого эффекта.

Могут быть два вида эффективности:

технико-эксплуатационная;

обобщающая экономическая (абсолютная или относительная, сравнительная).

Технико-эксплуатационная эффективность характеризуется отношением технического или эксплуатационного эффекта в виде улучшения технического параметра или качественного показателя к трудовым или стоимостным затратам.

Технико-эксплуатационная эффективность может характеризоваться величиной отношения эффекта (улучшения одного технического или эксплуатационного параметра-показателя) к увеличению дополнительных затрат другого технического параметра-показателя, вызвавшего дополнительный полезный технический эффект.

Экономическая эффективность выражается уровнем рентабельности, коэффициентом эффективности, величиной фондоотдачи и др.

Относительная (сравнительная) эффективность исчисляется лишь при выборе двух и более вариантов решения определенной производственной или хозяйственной задачи.

В данной работе, методом сравнительной эффективности, решается производственная задача по внедрению экономически выгодного типа устройств СЦБ (полуавтоматической блокировки или системы счета осей) для проектируемого однопутного участка железной дороги.

Сравнительная экономическая эффективность определяется по приведенным затратам Эп (сумме годовых приведенных строительных и эксплуатационных расходов). При этом наилучшим по денежным показателям является вариант, обеспечивающий минимум величины Эп, т.е.

Эп = Кi · Ен + Сi, (1.1)

где Кi - капитальные вложения по каждому сравниваемому варианту с учетом изменеий оборотных средств народного хозяйства;

Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, принимаемый 0,1;

Сi - эксплуатационные расходы по каждому варианту

Технико-экономические расчеты приведены в разделе 4.

2. Анализ проблем СЦБ в Республике Казахстан

Уникальными особенностями сферы СЦБ являются сложность сети, сложившийся штат персонала, обилие инструкций и разрешений, которые в совокупности формировались многие десятилетия и не могут быть изменены за короткое время.

Основные направления повышения надежности электроснабжения устройств СЦБ.

В настоящее время вопросы электроснабжения постов ЭЦ и других станционных помещений (ДСП, релейных будок), а также перегонных устройств СЦБ решаются согласно требованиям нормативных документов, утвержденных МПС: инструкций ЦЭ-462, ЦЭ-191, ЦЭ-881, ВНТП-86. Эти документы базируются в основе своей на требованиях ПУЭ. При этом питание предусматривается от совмещенных или специальных комплектных трансформаторных подстанций (КТП), а иногда и от собственных фидеров 0,4 кВ [1].

На перегонах электроснабжение осуществляется от специальных линий: ВЛ СЦБ, ВЛ ПЭ, ДПР [1, 3].

Станционные устройства автоматики магистрального железнодорожного транспорта (посты электрифицированной (ЭЦ) и диспетчерской (ДЦ) централизации) в основном получают электроэнергию от трехфазных трансформаторных подстанций со вторичным напряжением 380/220 В и глухозаземленной нейтралью. Проектирование устройств электроснабжения и заземления осуществляется согласно утвержденным нормативным документам и действующим ГОСТам.

Принципиально ввод питающего напряжения осуществляется следующим образом. От трансформаторной подстанции ввод в постовое здание осуществляется четырехжильным кабелем, подключаемым к клеммам щита вводного переключения (ЩВП), предназначенным для обесточивания помещения при пожарной опасности.

Далее напряжение подается внутренним четырехжильным кабелем на вводную панель (ПВ), в которой в каждой фазе установлены приборы защиты. Корпуса ЩВП, ПВ и других панелей питания зануляются через четвертую жилу кабеля, соединенную с нейтралью трансформатора (нулевой рабочий проводник). Рядом с постовым служебно-техническим зданием оборудуется заземлитель, соединенный с контурами магистралей заземления в служебных комнатах (релейной, связевой, генераторной), которые заземляющими проводниками соединены с корпусами стативов, панелей, ЩВП, пультом-табло. Таким образом, создается повторное заземление оборудования. К этим же заземляющим устройствам (ЗУ) подключены приборы защиты от перенапряжений.

Электропитание устройств СЦБ (реле, светофоры, рельсовые цепи, контрольные и рабочие цепи стрелочных электроприводов) отделено от трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью разделительными трансформаторами, располагаемыми в закрытых панелях питания. Изоляция источников питания устройств СЦБ непрерывно контролируется сигнализаторами заземления с удельной чувствительностью 1 кОм/В. Благодаря этому напряжение, подаваемое на стативы с аппаратурой и на исполнительные устройства СЦБ, изолировано от земли, что дает возможность использовать однополюсное размыкание цепей. Для поддержания нормального уровня изоляции удаленные от поста нагрузки переменного тока с номинальным напряжением 220 В сгруппированы в отдельные разделительные трансформаторы с максимальной мощностью 1,5 кВ·А (рисунок 2.1).

В целом электроснабжение служебно-технических зданий железнодорожного транспорта выполнено по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), однако в реальном осуществлении некоторые положения выполняются с отступлением от требований ПУЭ. К таким отступлениям относятся: отсутствие общих заземляющих устройств для электроустановок различного назначения; выполнение однопроводного соединения заземлителей с магистралями заземлений; заниженное сечение заземляющих проводников; на подстанции не обеспечивается требуемое для приборов защиты значение тока короткого замыкания (к. з.), а также допускается последовательное соединение корпусов различных электроустановок.

П -- переходная группа контактов, реле и т. п.; С -- стрелочный перевод

Рисунок 2.1 Структурная обобщенная схема распределения сети электроснабжения на посту ЭЦ

Кроме того, отсутствуют единые требования и указания по устройству заземления в различных хозяйствах железнодорожного транспорта. В результате этого при повреждении изоляции фазных проводов на трансформаторных подстанциях или в силовых нагрузках бывают случаи возгорания кабелей и постового оборудования за счет перенапряжений в цепях электроснабжения.

Электроприемники технологических нагрузок постов электрической централизации (далее ЭЦ) с числом стрелок 30 и более относятся к особой группе 1-й категории в отношении надежности электроснабжения, а с числом менее 30 стрелок -- к 1-й категории. Для электроснабжения электроприемников особой группы ПУЭ требуют предусматривать три независимых источника питания, т. е., кроме двух внешних источников, следует предусматривать дополнительное питание от третьего взаимно резервирующего источника, в качестве которого может быть использован автоматизированный дизель-генератор (ДГА).

Рабочее и резервное питание постов ЭЦ осуществляется от КТП различных мощностей и напряжений, которые устанавливаются в соответствии с действующими нормативными документами [1...3].

Для защиты от перенапряжений (атмосферных и коммутационных) на высокой и низкой стороне различных КТП предусматриваются ограничители перенапряжений, разрядники, искровые промежутки, так как при воздействии на высоковольтную обмотку трансформатора молнии 40 % перенапряжений способно навестись емкостным путем.

Выбор ограничителей перенапряжения (ОПН) производится без учета времени отключения однофазных коротких замыкания (о. к. з.), т. е. по наибольшему рабочему напряжению. В случае учета времени отключения о. к. з. ОПН может быть выбран на напряжение, меньшее наибольшего рабочего, в тех случаях, когда это целесообразно, например в сетях с пониженным уровнем изоляции.

Защита трансформатора по высокой стороне осуществляется высоковольтными предохранителями, которые обеспечивают только максимальную защиту.

Защита трансформатора по низкой стороне от токов к. з. осуществляется автоматическими выключателями. Защита от неполнофазного режима не предусматривается, поэтому отключить трансформатор при таком виде повреждения невозможно.

Следует отметить, что работа оборудования при длительных перенапряжениях вызывает ускоренное старение изоляции, что в конечном счете приводит к нарушению изоляции кабелей и оборудования и пожарам.

В настоящее время на сети дорог эксплуатируется свыше 20 тыс. постов электрической централизации и десятки тысяч релейных шкафов (РШ), расположенных на участках с электротягой на постоянном и переменном токе и на участках с автономной тягой. Сооружения и устройства ЭЦ и РШ находятся в эксплуатации разное время, многие из них уже эксплуатируются 40 лет, т. е. более нормативного срока службы. Безусловно, они претерпевают модернизацию оборудования, изменение схемных решений и монтажа. Многообразие постов ЭЦ и РШ существенно усложняет проведение анализа состояния и выявление причин повреждений.

При разработке рассматриваемой проблемы были проведены обследования более 80 постов ЭЦ на шести железных дорогах сети. Проанализированы типовые проекты и проектные решения на реальных участках железных дорог, действующие нормативные документы (НД) и ГОСТы, применяемые в системах электроснабжения промышленных предприятий и на промышленном транспорте, а также в метрополитенах.

Практически все обследуемые посты ЭЦ получают питание от КТП, сооруженных по типовым схемам «Установка и подключение КТП к линиям продольного электроснабжения 25 кВ»; чертежи разработаны ПКБ ЦЭ МПС, аппаратура изготовлена комплектно заводами ЦЭ ОАО «РЖД». В качестве трансформаторов в каждой из КТП принято: при КТП типа столбовой трансформаторной подстанции (СТП -- трансформатор напряжения) -- ЗНОМ-35-65 по ТУ-16-517.128-78, а в КТП типа КТПМ -- ТМЖ при соответствующей мощности. Вопросы заземления решены согласно инструкции ЦЭ-191, аналогично решены и вопросы защиты от токовых перегрузок с помощью предохранителей. Однако во всех случаях защита от замыканий на землю до прибора автоматической защиты во вторичных цепях отсутствует.

Особенностью каждой КТП является значительное количество потребителей электроэнергии: устройства СЦБ, связи, путевого и локомотивного хозяйства, а также сложность выполнения ЗУ ввиду ограниченности пространства возле путей и тупиков.

В части обеспечения надежности электроснабжения категорийность электроприемников различных устройств на железных дорогах принята в соответствии с инструкцией ЦЭ-4846.

Все устройства (СЦБ, связи и др.) присоединены к источникам электропитания самостоятельными линиями с установкой на вводных каналах или в релейных шкафах аппаратуры, обеспечивающей автоматический переход с основного питания на резервное в случае понижения напряжения ниже установленного уровня.

Установки реле контроля напряжения на вводных панелях устройств СЦБ приняты в пределах 204...208 В при номинальном напряжении 220 В и 340...345 В при номинальном напряжении 380 В.

Значения номинальных напряжений и допускаемых отклонений, устанавливаемые в стандартах и ТУ на конкретные схемы электроснабжения, выбраны согласно ГОСТ 2428 - 83, ГОСТ 721 - 77, а также ГОСТ 13109 - 97.

Как правило, схемы электроснабжения имеют автоматический повторный выключатель (АПВ), автомат включения резерва (АВР) и устройство для определения места к. з. в линии высокого напряжения. Полное время цикла отключения выключателей, АПВ и АВР на резервном пункте составляет не более 1,3 с, все камеры КТП снабжены дистанционным управлением (большинство -- телеуправлением), выключателями.

Практически на всех КТП (кроме СТП) вторичное напряжение подается к электропотребителям по цепям с глухозаземленной нейтралью.

При этом в устройствах СЦБ и связи во всех случаях устанавливаются изолирующие трансформаторы. Однако во всех случаях отсутствуют устройства контроля замыкания фазы на землю (корпус).

Весьма сложным образом решаются вопросы заземления нейтрали во вторичных цепях, в основном из-за многофункциональности цепей электроснабжения. Это не позволяет в условиях эксплуатации исключить или снизить величины тока от посторонних нагрузок и источников через ЗУ (и прежде всего на постах ЭЦ), в том числе и путем снижения сопротивления заземления первичного контура или питания через изолирующий трансформатор.

Распределение количества отказов в устройствах ЭЦ и РШ по вызывающим их причинам в 1984... 2002 гг. приведено в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Распределение количества отказов в устройствах ЭЦ и РШ по вызывающим их причинам в 1984... 2002 гг

Причины возгорания	Число случаев	% общего кол-ва
Короткие замыкания в электрических цепях поста ЭЦ (в разводке проводов, «гутах монтажных проводов, корпусах реле, на колодках)	18	27,7
Короткие замыкания в цепях основного фидера питания поста ЭЦ	7	10,8
Пожары, вызванные протеканием тягового тока в цепях ЭЦ и РШ	6	9,02
Короткие замыкания в трансформаторах поста ЭЦ	7	10,8
Короткие замыкания в цепях резервного питания поста ЭЦ (резервный фидер, питание от ДГА)	4	6,1
Повреждения в постах ЭЦ и РШ, вызванные атмосферными перенапряжениями	4	6,1
Короткие замыкания в реле ТШ-2000	3	4,7
Пожары, вызванные проведением сварочных работ на рельсах и устройствах СЦБ с нарушением правил производства сварочных работ	5	7,7
Короткое замыкание в цепях аккумуляторной батареи	1
Прочие случаи	10	15,4
Всего	65	100

В целом, если рассматривать количество случаев (65) за десятилетний период, можно сказать о малой их вероятности при весьма большом числе объектов (постов ЭЦ и РШ). Однако эти случаи нельзя рассматривать как простые отказы, поскольку их последствия вызывают значительные перерывы в движении поездов, а в некоторых случаях и полное прекращение движения на несколько суток.

А потому необходимо разрабатывать и принимать такие технические решения, которые позволят добиться максимального снижения возникновения отказов в электроснабжении постов ЭЦ и РШ.

Анализируя полученные данные (см. табл. 2.1) по причинам, вызвавшим отказы в работе устройств электроснабжения, можно разделить их следующим образом. Наибольшее число отказов возникало в устройствах постов ЭЦ -- 64,6 %.

К внешним воздействиям для постов ЭЦ и РШ можно отнести атмосферные перенапряжения (6,1 %), воздействия тяговых токов электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока (9,2 %).

На основании анализа отказов в работе устройств электроснабжения был подготовлен план мероприятий по повышению надежности работы устройств электроснабжения; разработаны Методические указания по выбору установок защиты в схемах электроснабжения постов ЭЦ, которые утверждены и разосланы по дорогам.

Одной из причин ненадежной работы систем электроснабжения устройств СЦБ является отсутствие контроля неполнофазных режимов в цепях электроснабжения. Рассмотрим возможные пути решения этих задач.

Согласно ПУЭ на стороне низшего напряжения понижающих трансформаторов, питающих различные энергопотребители, в цепях электроснабжения следует устанавливать не только предохранители в каждой фазе, но и главный предохранитель или автоматический переключатель. При этом в зависимости от вида линии (с изолированной или заземленной нейтралью) по-разному решаются вопросы по защите линий 380/220 В при несанкционированных режимах. В первую очередь должны решаться вопросы электробезопасности, а также отключения цепи электроснабжения при к. з. фазы на корпус или землю. Исходя из этого в настоящее время утвержден ГОСТ Р 50571 (МЭК 364-4-41 - 92). В этом документе большая роль отводится различным дополнительным средствам защиты от аварийных режимов и электропоражений: пассивным -- зануление и защитное заземление и активным -- выключатели автоматические (ВА), предохранители (ПР) и устройства защитного отключения (УЗО), что должно обеспечить в совокупности многофункциональную систему защиты.

В этой системе питания за счет применения УЗО появляется возможность отключить электроустановку за время не более 0,8 с. Это позволяет избежать электротравм при случайном непосредственном прикосновении к токоведущим частям и отключить электроприемник в случае пробоя изоляции на корпус. Однако эта защита не обеспечивает необходимых требований [4,5] при:

- обрыве проводника (нейтрали);

- замыкании фазы на нейтраль, а также при междуфазном замыкании до аппаратов защиты;

- попадании посторонних токов в цепи заземляющих устройств (ЗУ) и нейтраль.

Современная концепция по ГОСТ Р 50 571 основного правила электробезопасности основана на том, что опасные токоведущие части электроустановки не должны быть доступны для непреднамеренного прямого прикосновения к ним, а доступные прикосновению открытые проводящие части (ОПЧ), сторонние проводящие части (СПЧ), защитные и заземляющие проводники (РЕ-проводники), а также ОПЧ цепей обратного тока, включая PEN-проводники, не должны быть опасны при прямом прикосновении к ним и при нормальном режиме работы, и при повреждении изоляции токоведущих частей. Поэтому при всех рекомендуемых системах электроснабжения должны быть предусмотрены основная и дополнительная защиты. В рамках рассматриваемых вопросов были проанализированы практически все известные разработки автоматического контроля состояния и защиты систем электроснабжения. Оказалось, что эти устройства не могут быть применены для условий железных дорог без коренной реконструкции как самих цепей электроснабжения, так и заземляющих устройств, учитывая все многообразие цепей электроснабжения. Это потребовало разработки специальных устройств, адаптированных к существующим и перспективным системам электроснабжения. Ниже приведена сводная таблица функциональных параметров устройства многофункциональной селективной защиты низковольтных фидеров электроснабжения постов ЭЦ (табл. 2.2).

Таблица 2.2 Сводная таблица функциональных параметров

Функция	Уставка (диапазон значений)	Шаг	Погрешность, %	Индикация
1	2	3	4	5
Отключение филера питания госта ЭЦ при превышении дифференциальным током утечки уставки отключения	4X1»: 10 мА; 30 мА; «х10»: 100 мА; 300 мА		±10	Динамическая и статическая
Время отключения го дифференциальному току утечки	От 0,1 до 3,5 с	0,1с	±30
Индикация приближения дифференциального тока утечки к уставке отключения	От 50 до 80% от порога отключения	10%	±15	Динамическая
Отключение фидера питания госта ЭЦ при превышении линейным током в одной из фаз уставки отключения	От 10 до 160 А	1 А	±10	Динамическая и статическая
Время аварийного отключения при превышении линейным током в одной из фаз уставки отключения	От 0,1 до 3,5 с	0,1с	±30	--
Индикация приближения линейного тока к уставке отключения	От 60 до 90% от порога отключения	10%	15	Динамическая
Отключение фидера питания госта ЭЦ го перекосу линейных фазных напряжений. Возможность блокировки этой зашиты	+20 и -20 % номинального значения	-	±5	Динамическая и статическая
Отключение фидера питания госта ЭЦ при чрезмерных отклонениях линейных напряжений от номинальных значений. Возможность блокировки этой защиты	+20 и -20 % номинального значения	-	±5	Динамическая и статическая
Возможность изменения времени отключения го отклонению линейных напряжений	От 1 до 4 с	1с	±30	-
Защитное отключение фидера питания госта ЭЦ при изменении чередования фаз в течение 2...3 с. Возможность блокировки этой защиты	-	-	-	Динамическая и статическая
Быстрое отключение фидера питания госта ЭЦ при превышении линейным током в одном из фазных проводов уставки быстрого отключения	От2 до 5 уставок отключения	1 уставка отключения	-	Общая с индикацией отключения го линейному току
Время быстрого отключения	0,2 с	-	±0,1	-
Обрыв проводников и быстрое отключение (замыкание фазы на нуль)	Не более 0,2 с	1 уставка отключения	±0,05	Общая индикация

При участии НПФ «Электронтехника» разработано устройство с учетом заданных параметров, готовое к серийному производству. Такая схема включения приведена на рис. 2.2, а при наличии датчиков температуры проводов или шин ЗУ, а также при токовых перегрузках -- на рис. 2.3, 2.4.

Выводы. Анализ работы электроустановок для питания нетяговых потребителей на железных дорогах от источников различной мощности показал, что железнодорожные системы электроснабжения во вторичной сети не имеют специальных технических средств для контроля состояния фазы и нулевого провода. Эти вопросы, учитывая их важность в части повышения надежности и исключения отказов в работе систем электроснабжения, являются приоритетными и должны быть решены в самое ближайшее время.

Результаты этих исследований положены в основу разработанных норм на проектирование электроснабжения устройств СЦБ и связи на станциях и перегонах, которые в настоящее время находятся на утверждении.



Рисунок 2.2 Многофункциональная универсальная селективная защита низковольтных фидеров электроснабжения постов ЭЦ

Д -- датчик контроля температуры и состояния заземляющих устройств и проводников заземления на посту ЭЦ

Рисунок 2.3 Пожаробезопасность и электробезопасность постов ЭЦ и других служебно-технических зданий на станциях



Рисунок 2.4 Устройство защиты цепей заземления от токовых перегрузок

3. Обоснования возможных путей решения проблем СЦБ на железных дорогах Республики Казахстан

3.1 Элементы автоматического воздействия поезда на путевые устройства полуавтоматической блокировки