Báo cáo khoa học: "Giải pháp khắc phục nh-ợc điểm của Mạch điện đường ray" docx

Giải pháp khắc phục nhợc điểm
của Mạch điện đờng ray


ths. nguyễn Hoàng Vân
Bộ môn Tín hiệu giao thông
Khoa Điện - Điện tử - Trờng ĐHGTVT

Tóm tắt: Mạch điện đờng ray (MĐĐR) l một thiết bị quan trọng trong hệ thống điều
khiển tín hiệu đờng sắt. Với phơng pháp phân tích v xử lý quá trình biến đổi các thông số
thay cho phơng pháp cổ điển (nhận biết qua các ngỡng cố định) có thể sẽ khắc phục đợc
một số nhợc điểm của MĐĐR, góp phần nâng cao độ an ton trong công tác chạy tu, tăng
năng lực thông qua.
Summary: Track circuits are an important factor in the safety of the rail service. Classic
method (realize constant value) is replaced processible and analytic method of parameter's
value change process, which gives surmountable some weakness of track circuit. Hence, the
enhancement of safe railway operations and transit is avaiable.
i. Đặt vấn đề
Chúng ta đã biết, đờng sắt là một trong
những ngành vận tải phục vụ quảng đại quần
chúng với nhiều u điểm và tiện lợi. Một trong
số các thiết bị cơ bản và quan trọng phục vụ
cho công tác chạy tàu là hệ thống điều khiển
tín hiệu mà trong đó thiết bị kiểm tra trạng thái
đờng ray là yếu tố quyết định đảm bảo cho
hệ thống hoạt động đúng chức năng là đảm
bảo an toàn chạy tàu và nâng cao năng lực
vận chuyển.
Để kiểm tra trạng thái đờng ray có nhiều
phơng pháp đi cùng với các thiết bị nh: hệ

thống máy đếm trục, thiết bị kiểm tra cảm biến
đặt tại yết hầu ga, thiết bị cảm ứng toa xe
Mỗi phơng pháp trên đều có u, nhợc điểm
và thích ứng cho từng điều kiện cụ thể. Tuy
nhiên tất cả các phơng pháp trên đều có
nhợc điểm chung là không thể kiểm tra
đợc sự toàn vẹn của các thanh ray, mà
khả năng tiềm ẩn xảy ra các tai nạn là do
nguyên nhân này.
II. Nội dung
1. Khái quát về mạch điện đờng ray
1.1. Mô hình mạch điện đờng ray
(MĐĐR)
Có thể coi MĐĐR bao gồm 3 phần chính:
phần phát, phần thu và phần truyền dẫn.
- Phần phát: ta có thể sử dụng nguồn
phát tín hiệu điện dạng một chiều, xoay chiều
hay dạng xung.
- Phần thu: hiện nay chủ yếu sử dụng
rơle điện từ (có thể có mắc thêm các mạch
phụ trợ) hoặc máy thu để thu đợc các tín
hiệu từ phần phát. Các phần thu sẽ phải phản
ánh đợc chính xác trạng thái của phần truyền
dẫn (trạng thái của đờng).
- Phần truyền dẫn: chính là các thanh
ray, chúng đợc giữ chặt với tà vẹt bởi các bu
lông sắt, tà vẹt đợc đặt trên lớp đá balát ở
trên nền đất.
1.2. Sự lm việc v các thông số đặc
trng của phần truyền dẫn

Phần
phát
Ray2
Ra
y
1
Phần truyền dẫn
Phần
thu
Hình 1. Mô hình mạch điện đờng ray
Nh trên đã trình bày, mạch điện đờng
ray sử dụng thanh ray làm dây dẫn và qua

việc xác định các thông số của nó ta có thể
nhận biết đợc chính xác trạng thái của
MĐĐR và sự toàn vẹn của các thanh ray. Vì
vậy, về mặt điện có thể coi phần truyền dẫn
nh một mạng 4 cửa.
a. Các tham số của mạng bốn cực ray
Sự liên quan giữa điện áp và dòng điện ở

đầu và cuối của mạch điện
đờng ray đợc xác lập thông qua các phơng
trình của mạng bốn cực.








d
.
d
.
I;U








c
.
c
.
I;U

+=
+=
c
.
c
.
d
.
c
.
c
.
d
.
I.DU.CI
I.BU.AU
(1)
Các tham số mạng bốn cực ray của
mạch điện đờng ray có mối nối cách điện ở
chế độ bình thờng là:
)l.(sh.
Z
I
C
)l.(sh.ZB
)l.(chDA

B
B
=
=

=
=

trong đó:
2
r
Z
.j
CDrCDrB
2
r
Z
.j
CD
r
CD
r
e.r.Zr.ZZ
e.
r
Z
r
Z
j

==
==+=

Hệ số truyền và trở kháng sóng là các
tham số thứ hai (tham số sóng) của mạch
điện đờng ray. Trong mạch điện đờng ray
xoay chiều, các tham số sóng là các số phức.
Còn trong mạch điện đờng ray nguồn một
chiều chúng là các số thực và đợc tính theo
công thức:
CD
CD
r.R
R
B
R
r
=
=

Z
Phần
thu
Phần
phát
b. Tính toán chế độ bình thờng theo
phơng pháp cổ điển (rơle có ngỡng
cố định)
Hình 2. Sơ đồ tơng đơng của mạch điện đờng ray

Chế độ bình thờng của mạch điện
đờng ray đợc đánh giá bởi hệ số truyền tải
K
TT
.
Tổng trở truyền đạt của rơle (với mạch
điện đờng ray dùng nguồn một chiều) trong
sơ đồ thay thế chung ở chế độ bình thờng
trong điều kiện xấu nhất là Z
BTmax
ta có:

minBT
maxBT
maxTT
Z
Z
.KK =
(2)
Trong đó K là tích của các hệ số biến áp,
hệ số nguồn, hệ số dự trữ. Trong chế độ bình
thờng cần phải thoả mãn các điều kiện:
CT
maxr
TTCP
BTCPmaxTT
minTT
U
U
KVới

KK
1K
=








(U
CT
là điện áp bắt đầu hút của rơle)
c. Tính chế độ phân mạch theo
phơng pháp cổ điển (rơle có ngỡng cố
định)
ở
chế độ này, hệ số phân tải K
PT
lúc này
có thể tính thông qua tổng trở truyền đạt của
sơ đồ thay thế tơng đơng trong chế độ phân
mạch và tổng trở truyền ở chế độ bình thờng
trong điều kiện xấu nhất cho từng chế độ.
maxBT
minPT
PT
Z.N
Z

K =
(3)
Trong đó N là hệ số thiết bị.

Trong thực tế khai thác, điện trở cách
điện ray thay đổi trong phạm vi lớn. Điện trở
cách điện giảm sẽ dẫn tới làm tăng tổng trở
truyền đạt ở chế độ bình thờng Z
BTmax
và làm
giảm hệ số K
PT

d. Tính toán ở chế độ kiểm tra theo
phơng pháp cổ điển (rơle có ngỡng cố
định)
ở
chế độ này, tơng tự nh chế độ phân
tải ta cũng có hệ số kiểm tra K
KT
:
maxbt
minkt
KT
Z.N
Z
K =
(4)
Trong đó Z
KTmin

là tổng trở truyền đạt của
sơ đồ thay thế tơng đơng của MĐĐR ở chế
độ gãy ray trong điều kiện xấu nhất.
Từ việc phân tích cơ
sở tính toán mạch điện
đờng ray ta có thể thấy
rằng mạch điện đờng ray
làm việc bình thờng khi
các hệ số K
PT
, K
KT
trong
cùng một thời điểm phải
thoả mãn bất đẳng thức:
(5)







1K
1K
KT
PT
Các hệ số này lại phụ
thuộc vào rất nhiều các
yếu tố: nguồn, điện trở ray, các tham số thiết

bị khác, điện trở cách điện Nếu xét thuần
tuý về mặt toán học, ta thấy cứ làm giảm mẫu
số là hệ số thiết bị N, hoặc tổng trở truyền đạt
của sơ đồ thay thế tơng đơng ở chế độ bình
thờng, tăng tổng trở truyền đạt
của sơ đồ thay thế tơng đơng ở
chế độ phân tải hoặc kiểm tra thì ta
sẽ làm tăng đợc giá trị của các hệ
số phân tải và kiểm tra. Tức là sẽ
làm tăng khả năng làm việc của
mạch điện đờng ray. Tuy nhiên
trên thực tế các phơng pháp để làm tăng
đợc các giá trị của các hệ số đó sẽ có những
u, nhợc điểm riêng, song cũng chỉ đạt tới
một giá trị nhất định nào đó và khó thực hiện.
Tuy nhiên,
nếu sử dụng MĐĐR có phần
thu l
h thoát, toàn
Tr tàu chiếm dụng
à rơle với ngỡng cố định thì điện áp nhận
đợc ở phần thu sẽ có sự thay đổi lớn về giá
trị do những tác động của môi trờng sẽ gây
ra các trạng thái biểu thị sai sau:
Trờng hợp MĐĐR than
vẹn nhng điện áp thu đợc không
đủ ngỡng để rơle ray hút. Khi đó
MĐĐR báo bận (ray bị chiếm dụng
hoặc không toàn vẹn). Lỗi này sẽ
làm giảm năng lực thông qua của

tuyến. Nguyên nhân thờng là do
điện trở thanh ray tăng theo nhiệt
độ hoặc điện trở balát giảm khi độ
ẩm tăng,
ờng hợp khi có
U
U
hút
U
nhả
t
Hình 3. Điện áp ở đầu vo rơle thu của MĐĐR khi không có tu
hoặc ray không toàn vẹn hoặc gãy
ray nhng điện áp nhận đợc ở
t
U
U
hút
U
nhả
Hình 4. Điện áp ở đầu vo rơle thu của MĐĐR khi có tu

phần thu vẫn ở nguỡng cao đủ để
rơle ray không rơi. Khi đó MĐĐR
báo ray vẫn thanh thoát và toàn
vẹn. Đây là lỗi nguy hiểm có thể gây
các tai nạn nh đâm tàu, trật bánh,
đổ tàu,
hân tích v1.3 P cách giải quyết
nhiễ

ý
tởng loại bỏ các can
u, các tác động của môi
trờng đến sự làm việc của MĐĐR
là một hớng giải quyết tốt. Khi đó
bộ thu chỉ thay đổi trạng thái khi
có sự tác động của đoàn tàu mà
không thay đổi trạng thái dới tác
động của môi trờng. Theo (3),
(4), (5) ta có:
;
Z.N
Z
K
maxBT
minPT
PT
=
;
Z.N
Z
K
maxBT
minKT
KT
=

1K
1K
KT
PT

Ta nhận thấy nếu ta không
sử d
Khi đó ta có:
ụng các ngỡng cố định, là
nguyên nhân chính có thể gây ra
các trạng thái biểu thị sai, mà xét
sự biến đổi của chúng trong
những khoảng thời gian nhỏ liên
tiếp. Khi đó ta có thể loại bỏ đợc
hởng của môi trờng, hệ số thiết bị bởi vì các
tổng trở truyền đạt Z
các ảnh
BT
, Z
KT
, Z
PT
đợc tính trong
điều kiện là gần nh nhau tại những thời điểm đó.
BT

PT
PT
Z
Z
K
=
(6)
(7)
Để thực hiện theo phơng hớng này
chúng ta có thể sử dụng vi xử lý để lấy mẫu và
xử lý tín hiệu để đa ra đợc quyết định theo
mô h
ồ thuật toán
(Xem hình 5).
2.2. Rời rạc hoá tín hiệu
tốc độ cao và
độ p hợp.
Quá trình rời rạc hoá tín hiệu liên tục thành tín
hiệu g:
(đờng ray
thanh thoát), đi để rơle ray ở
trạng thái hút. Khi có tàu chiếm dụng (cặp

BT
KT
KT
Z
Z
K
=

1K
1K
KT
PT

ình sau:
2. Thực hiện
2.1. Sơ đ
Bắt đầu
Lấy mẫu
Gia côn
g
số li
ệ
u
Sử dụng bộ biến đổi A/D
hân giải lớn với chu kỳ lấy mẫu phù
số có thể biểu diễn ở dạn
X(nT) = x(t).L(t)
2.3. Phân tích
ở trạng thái bình thờng
ện áp thu đủ lớn
Y

Hình 5. Sơ đồ khối cho rơle thích n
g
hi của MĐĐR
Rơle nhả
i = i + 1
Tàu vào
Y
Rơle hút
N
Gãy ray
Y
Tàu ra
N
N

bánh của
đoàn tàu chiếm dụng
mạc
gãy ray (ray không toàn vẹn) thì rơle cũng
hần thu sẽ lấy mẫu tín hiệu, xử lý tín hiệu theo
le.
, X[i+1], X[i+2], X[i+3].
xe đầu tiên
h ray) gây đoản
mạch, điện áp thu đợc
sẽ không có đủ lớn làm
cho rơle rơi. Khi tàu ra
khỏi mạch ray (cặp
bánh xe cuối cùng của
đoàn ra khỏi mạch ray)

thì mạch ray đợc khôi p
mạch, phía đầu thu của mạch ray sẽ có điện
áp đủ lớn và rơle hút trở lại. Còn ở trạng thái bị
không đợc cấp nguồn nên rơle rơi.

Trên cơ sở biến đổi điện áp nêu trên nên p
thuật toán phù hợp để ra quyết định hút/nhả của
Giả sử tín hiệu lấy mẫu tại thời điểm t là X[i]
hục không bị đoản
rơ
X[i] X[i+1] X[i+2] X[i+3]
X[i+1]-X[i]=Y[i] X[i+2]-X[i+1]=Y[i+1] X[i+3]-X[i+2]=Y[i+2]
X[i+2]-X[i]=Z[i] X[i+3]-X[i+1]=Z[i+1]
X[i+3]-X[i]=U[i]
Với ghiệm.
a. Xét trờng hợp rơle hút:
- ở trạng thái bình thờng
1
,
2
là các giá trị đợc xác định theo thực n

3
]i[Y
3x
1
1

2
1

]i[Z
2x
1
]i[U

1
Rơle đang hút
- ở trạng thái tàu đi ra khỏi mạch ray

Y[i
2

Z[i+1]
2 2
+2]
U[i]

Y[i+1]

2
Y[i+2]
2
Z[i]
2
Z[i+1]
2
U[i]
2
Y[i]
2

Y[i+1]
2
Y[i+2]
2
Z[i]
2
Z[i+1]
2
U[i]
2
b. Xét trờng hợp rơle nhả:
- ở trạng thái tàu vào
Y[i+2]
-
2

Z[i+1]
-
2
U[i] -
2


Y[i+1]
-
2
Y[i+2] -
2
Z[i] -
2

Z[i+1] -
2
U[i] -
2
Y[i] -
2
Y[i+1] -
2
Y[i+2] -
2
Z[i] -
2
Z[i+1] -
2
U[i] -
2
x
(
t
)

T 2T 3T 4T 5T
Hình 6. Lấy mẫu điện áp ở đầu vo rơle thu của MĐĐR
t
)


- ở trạng thái tàu chiếm dụng

]i[Z

2
1


3
Y
1
]i[U

]i[
3x
1
2x

1
Rơle đang rơi
1
- ở trạng thái gãy ray

4
1

3
1

2
1
]i[Z

]i[X

4x
1
]i
3x 2x
1
]i[

U
1
[Y
1
2.4. Cách thực hiện
Qua phân tích ta nhận thấy việc nhận biết các trạng thái là hoàn toàn có thể thực hiện đợc
bằng các thiết bị hiện ờng c hoá tí ó thể sử các bộ biến đổi
AD, tốc độ lấy mẫu của các bộ AD có thể đạt 35
s và độ phân giải cao 12 bit. Cấu trúc thuật
toán hời gian gia công và xử lý kết quả đo có thể thực hiện trong thời gian
nhỏ, đáp ứ u của bài toán.
y việc thực hiện theo hớng báo cáo đã nêu là hoàn toàn khả thi, có thể thực
hiện bằng các thiết bị sẵn có trên thị trờng hiện nay. Để lấy mẫu có thể sử dụng các bộ biến
đổi AD tốc độ cao. Để thực hiện thuật toán nhận biết các trạng thái ta có thể sử dụng các họ vi
g với chơng trình phù hợp. Qua đó, ta có thể khắc phục đợc những nhợc
, giúp nâng cao đợc mức độ an toàn của thiết bị.
Tài li
. Nguyễn Duy Việt. Mạch điện đờng ray trong điều kiện bị tác động của môi trờng bên ngoài. Báo
cáo khoa học 2001. ĐH GTVT.
lication. www.analog-device.com
có trên thị tr . Để rời rạ n hiệu c dụng
không quá phức tạp, t
ng đợc yêu cầ

Lọc và
khuyếch đại

Bộ chuyển
đổi AD
Tín hiệu vào
VXL
Cơ cấu chấp
hành




III. Kết luận
Hình 7. Sơ đồ khối của rơle thích ứng của MĐĐR
Ta nhận thấ
xử lý thông dụn
điểm của MĐĐR
Tuy nhiên, để có thể đa vào sử dụng cần phải có thử nghiệm về tính ổn định, khả năng
làm việc và những trở ngại khác có thể xẩy ra mà trong điều kiện hiện tại còn cha đợc biết
đến.
ệu tham khảo
[1]. KS. Dơng Đình Thi. Lý thuyết mạch điện đờng ray.
[2]. TS
[3]. Document & App
.
Kỹ thuật ghép nối máy tínhĂ

[4]. Ngô Diên Tập.