Trong lĩnh vực đường sắt, việc xác định chính xác một khu vực đường ray đang trống hay đang có tàu là điều kiện cơ bản để hệ thống tín hiệu kiểm soát các đoàn tàu. Trước khi một chuyến tàu được thiết lập hoặc tín hiệu cho phép tàu tiếp tục di chuyển, hệ thống phải có thông tin đáng tin cậy về trạng thái chiếm dụng của phần đường liên quan.

Một trong những công nghệ được sử dụng lâu đời nhất để thực hiện nhiệm vụ này là mạch điện đường ray (track circuit). Công nghệ này xuất hiện từ cuối thế kỷ XIX và dần trở thành một thành phần quan trọng của nhiều hệ thống tín hiệu đường sắt trên thế giới.

Điểm đặc biệt của mạch điện đường ray nằm ở nguyên lý tương đối đơn giản: thay vì bố trí một cảm biến riêng biệt để nhận biết đoàn tàu, hệ thống sử dụng chính hai thanh ray làm một phần của mạch điện. Khi đoàn tàu đi vào khu vực được giám sát, bánh xe và trục bánh bằng kim loại làm thay đổi trạng thái điện của mạch. Từ sự thay đổi này, hệ thống có thể xác định khu vực đường ray đang trống (clear) hay bị chiếm dụng (occupied).

Mạch điện đường ray là gì?

Mạch điện đường ray là một hệ thống phát hiện tàu trong đó hai thanh ray chạy tàu được sử dụng như các phần tử dẫn điện của một mạch điện.

Trong thiết kế truyền thống, một nguồn điện được kết nối với hai thanh ray tại một đầu của khu vực cần giám sát, trong khi đầu còn lại được kết nối với thiết bị thu. Ở các hệ thống cơ bản, thiết bị này thường là một rơ-le (relay), có nhiệm vụ phản ứng với trạng thái điện của mạch và cung cấp thông tin tương ứng cho hệ thống tín hiệu.

Rơ-le có thể hiểu đơn giản là một thiết bị điện có khả năng thay đổi trạng thái khi điều kiện điện đầu vào thay đổi. Trong mạch điện đường ray, trạng thái của rơ-le phản ánh việc tín hiệu điện từ đường ray có được tiếp nhận theo điều kiện thiết kế hay không.

Nhờ cách bố trí này, hệ thống không cần trực tiếp nhận dạng đoàn tàu, số hiệu tàu hay loại phương tiện đang đi qua. Hệ thống chỉ cần xác định một thông tin có ý nghĩa quyết định đối với hoạt động tín hiệu: một phân khu hiện có bị chiếm dụng hay không.

Nguyên lý hoạt động của mạch điện đường ray

Khi một phân khu đường ray không có tàu, tín hiệu điện được cấp vào hai thanh ray và truyền qua mạch tới thiết bị thu ở đầu còn lại. Nếu tín hiệu nhận được đáp ứng các điều kiện thiết kế, rơ-le duy trì trạng thái tương ứng và hệ thống xác nhận khu vực đường ray đang ở trạng thái trống.

Trạng thái của mạch thay đổi khi đoàn tàu đi vào khu vực này. Bánh xe đường sắt và trục nối hai bánh đều được chế tạo từ vật liệu dẫn điện. Khi hai bánh cùng tiếp xúc với hai thanh ray, bộ bánh xe – trục bánh tạo thành một đường dẫn điện có điện trở thấp giữa chúng.

Hiện tượng này được gọi là shunting trong kỹ thuật mạch điện đường ray. Dòng điện lúc này chủ yếu đi qua đường dẫn được tạo bởi bộ bánh xe – trục bánh, khiến tín hiệu điện đến thiết bị thu giảm xuống dưới mức cần thiết để duy trì trạng thái trước đó. Rơ-le nhả và hệ thống chuyển trạng thái của khu vực sang bị chiếm dụng.

Điều đáng chú ý là quá trình phát hiện này không yêu cầu đoàn tàu phải chủ động truyền thông tin vị trí tới thiết bị bên đường. Sự hiện diện vật lý của đoàn tàu trên đường ray đã trực tiếp tác động đến mạch điện và tạo ra thông tin cần thiết cho hệ thống tín hiệu.

Đây cũng là lý do mạch điện đường ray có thể được xem là một phương pháp phát hiện tàu dựa trực tiếp vào sự tương tác giữa phương tiện và hạ tầng đường sắt.

Từ một mạch điện đến hệ thống xác định vị trí đoàn tàu

Một mạch điện đường ray chỉ giám sát một phân khu nhất định. Vì vậy, trên một tuyến đường sắt, đường ray thường được chia thành nhiều phân khu liên tiếp, mỗi phân khu có khả năng xác định trạng thái chiếm dụng riêng.

Khi một đoàn tàu di chuyển dọc tuyến, trạng thái của các mạch điện đường ray lần lượt thay đổi từ trống sang chiếm dụng khi tàu đi vào, sau đó trở lại trống khi toàn bộ đoàn tàu rời khỏi khu vực và các điều kiện khác được đáp ứng. Nhờ đó, hệ thống tín hiệu có thể theo dõi sự thay đổi trạng thái chiếm dụng dọc theo tuyến mà không cần xác định tọa độ chính xác của đoàn tàu theo cách của các hệ thống định vị hiện đại.

Thông tin này sau đó được sử dụng bởi các hệ thống khác, đặc biệt là interlocking – hệ thống liên khóa, để kiểm soát việc thiết lập hành trình, điều khiển tín hiệu và ngăn các chuyển động không tương thích được cho phép đồng thời.

Mạch điện đường ray vì vậy không trực tiếp quyết định đoàn tàu được phép chạy hay phải dừng. Vai trò chính của nó là cung cấp một trong những dữ liệu đầu vào quan trọng để hệ thống tín hiệu đưa ra quyết định an toàn.

Mối quan hệ giữa mạch điện đường ray và block section

Mạch điện đường ray có quan hệ chặt chẽ với khái niệm block section (phân khu đóng đường), nhưng đây là hai khái niệm khác nhau.

Block section là một phân khu được xác định trong hệ thống tổ chức và kiểm soát chạy tàu, với mục tiêu quản lý việc các đoàn tàu đi vào và rời khỏi khu đoạn đó. Mạch điện đường ray, ngược lại, là một phương pháp kỹ thuật dùng để phát hiện trạng thái chiếm dụng của đường ray.

Trong một hệ thống tín hiệu sử dụng nguyên lý phân khu cố định (fixed block), thông tin từ mạch điện đường ray có thể được sử dụng để xác định một phần hoặc toàn bộ phân khu đang có tàu hay không. Tuy nhiên, ranh giới của một mạch điện đường ray không nhất thiết phải trùng với ranh giới của một phân khu. Tùy thuộc vào thiết kế hệ thống tín hiệu, một phân khu có thể chứa nhiều mạch điện hoặc nhiều khu vực phát hiện tàu khác nhau.

Sự phân biệt này đặc biệt quan trọng khi tìm hiểu hệ thống tín hiệu đường sắt. Block section trả lời câu hỏi khu đoạn nào đang được kiểm soát, trong khi mạch điện đường ray cung cấp phương tiện kỹ thuật để xác định đường ray tại một khu vực nhất định có đang bị chiếm dụng hay không.

Fail-safe – nguyên tắc an toàn khi xảy ra sự cố

Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của Track Circuit là khả năng được thiết kế theo nguyên tắc fail-safe – an toàn khi xảy ra sự cố.

Trong cấu hình truyền thống, trạng thái trống chỉ được xác nhận khi thiết bị thu nhận được tín hiệu điện đáp ứng những điều kiện xác định. Khi đoàn tàu đi vào và làm thay đổi trạng thái của mạch, điều kiện này không còn được đáp ứng và khu vực được xác định là chiếm dụng.

Cách thiết kế này đồng thời tạo ra một đặc tính an toàn quan trọng. Nếu nguồn điện bị mất, dây dẫn bị đứt, thiết bị gặp lỗi hoặc một số dạng hư hỏng khiến tín hiệu điện không thể truyền tới thiết bị thu như bình thường, hệ thống sẽ không tiếp tục xác nhận khu vực ở trạng thái Clear.

Nói cách khác, việc không thể chứng minh rằng đường ray đang trống không được hiểu là đường ray an toàn để đoàn tàu tiếp theo đi vào. Thay vào đó, hệ thống tín hiệu sẽ áp dụng trạng thái hạn chế hoặc an toàn tương ứng cho đến khi điều kiện bình thường được khôi phục.

Đây là một trong những nguyên nhân khiến sự cố mạch điện có thể gây chậm tàu ngay cả khi trên thực tế không có đoàn tàu nào chiếm dụng khu vực. Từ góc độ an toàn, một trạng thái không xác định phải được xử lý thận trọng thay vì được mặc định là an toàn.

Một lợi ích khác thường được nhắc đến của mạch điện đường ray là khả năng phát hiện một số trường hợp gãy ray. Nếu vị trí gãy làm gián đoạn đường dẫn điện cần thiết của mạch, hệ thống có thể mất trạng thái trống. Tuy nhiên, mạch điện đường ray không thể được xem là một hệ thống phát hiện mọi trường hợp gãy ray, bởi khả năng này phụ thuộc vào cấu hình mạch, vị trí hư hỏng và nhiều điều kiện kỹ thuật khác.

Các loại mạch điện đường ray

Trong quá trình phát triển của công nghệ tín hiệu đường sắt, nhiều loại mạch điện đường ray đã được xây dựng để đáp ứng những điều kiện khai thác và hệ thống điện khác nhau.

Một trong những dạng truyền thống là mạch điện đường ray DC, sử dụng dòng điện một chiều để giám sát trạng thái của mạch đường ray. Đây là cấu hình có nguyên lý tương đối đơn giản và đóng vai trò quan trọng trong lịch sử phát triển của công nghệ phát hiện tàu. Khi không có tàu, dòng điện truyền qua hai thanh ray đến rơ-le hoặc thiết bị thu ở đầu còn lại, duy trì trạng thái trống. Khi tàu đi vào, bộ bánh xe – trục bánh tạo đường dẫn điện giữa hai thanh ray, làm giảm dòng điện đến thiết bị thu và khiến hệ thống chuyển sang trạng thái chiếm dụng.

Bên cạnh đó, mạch điện đường ray AC sử dụng tín hiệu điện xoay chiều và có thể được thiết kế với các đặc tính khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu của từng hệ thống tín hiệu cũng như môi trường điện khí hóa. Mạch điện đường ray AC hoạt động theo nguyên lý tương tự với mạch DC nhưng sử dụng dòng điện xoay chiều thay cho dòng điện một chiều. Tín hiệu AC được truyền qua đường ray đến thiết bị thu; khi đoàn tàu đi vào, bộ bánh xe – trục bánh làm thay đổi tín hiệu nhận được, qua đó hệ thống xác định khu vực đang bị chiếm dụng. Việc sử dụng tín hiệu xoay chiều cho phép hệ thống áp dụng các phương pháp lựa chọn tần số và xử lý tín hiệu phù hợp, đặc biệt trong môi trường đường sắt điện khí hóa.

Các hệ thống hiện đại hơn còn sử dụng mạch điện đường ray tần số âm tần (audio frequency track circuit), trong đó tín hiệu có tần số xác định được truyền qua đường ray và được thiết bị thu phân tích để xác định trạng thái chiếm dụng. Việc sử dụng các tần số khác nhau cũng tạo điều kiện để phân chia và kiểm soát các khu vực phát hiện mà không nhất thiết phải phụ thuộc hoàn toàn vào các mối nối cách điện vật lý.

Xét theo phương pháp phân chia khu vực, mạch điện đường ray truyền thống có thể sử dụng mối nối cách điện để ngăn tín hiệu điện của một mạch truyền sang mạch liền kề. Trong khi đó, mạch điện đường ray không sử dụng mối nối cách điện áp dụng các giải pháp điện và xử lý tín hiệu để hình thành ranh giới giữa các khu vực phát hiện.

Mặc dù cấu tạo và phương pháp xử lý tín hiệu có thể khác nhau đáng kể, mục tiêu chung vẫn là xác định một cách tin cậy trạng thái chiếm dụng của đường ray.

Những hạn chế của mạch điện đường ray

Việc sử dụng chính đường ray và bộ bánh xe để tạo thành một phần của hệ thống phát hiện mang lại nhiều lợi ích, nhưng đồng thời khiến mạch điện đường ray chịu ảnh hưởng trực tiếp từ điều kiện của đường ray và môi trường vận hành.

Một trong những vấn đề đáng chú ý là chất lượng tiếp xúc điện giữa bánh xe và bề mặt ray. Rỉ sét, chất nhiễm bẩn hoặc các lớp vật liệu có tính cách điện trên đầu ray có thể làm tăng điện trở tiếp xúc, ảnh hưởng đến khả năng tạo shunt của bộ bánh xe.

Hiện tượng này đặc biệt được quan tâm trên những tuyến có mật độ chạy tàu thấp hoặc trong điều kiện môi trường khiến bề mặt ray dễ bị nhiễm bẩn. Lá cây bị nghiền dưới bánh tàu, chẳng hạn, có thể tạo thành một lớp vật liệu bám trên đầu ray và làm giảm khả năng tiếp xúc điện.

Ở chiều ngược lại, nước, ballast bị nhiễm bẩn hoặc suy giảm khả năng cách điện giữa các thành phần của đường ray cũng có thể tạo ra những đường dẫn điện ngoài dự kiến và ảnh hưởng đến hoạt động của mạch.

Trên các tuyến điện khí hóa, bài toán còn phức tạp hơn khi đường ray có thể đồng thời tham gia vào đường hồi của dòng điện kéo. Mạch điện đường ray vì vậy phải được thiết kế để tín hiệu dùng cho phát hiện tàu có thể hoạt động an toàn và ổn định trong môi trường tồn tại các dòng điện và nguồn nhiễu khác.

Những yêu cầu này khiến việc thiết kế, hiệu chỉnh và bảo trì mạch điện đường ray trở thành một lĩnh vực kỹ thuật quan trọng của hệ thống tín hiệu đường sắt.

Công nghệ hơn một thế kỷ vẫn giữ vai trò quan trọng

Mạch điện đường ray được hình thành từ một nguyên lý điện tương đối đơn giản, nhưng tác động của công nghệ này đối với sự phát triển của hệ thống tín hiệu đường sắt là rất lớn. Việc sử dụng chính đường ray và bộ bánh xe của đoàn tàu để hình thành cơ chế phát hiện đã cho phép trạng thái chiếm dụng của đường ray được xác định tự động và liên tục.

Từ thông tin về trạng thái của từng phân khu, các hệ thống liên khóa và tín hiệu có thể kiểm soát hành trình, duy trì khoảng cách cần thiết giữa các đoàn tàu và ngăn những chuyển động không an toàn được cho phép.

Ngày nay, cùng với mạch điện đường ray, các công nghệ như bộ đếm trục, balise, truyền thông radio và các hệ thống định vị tàu hiện đại đang tạo nên những phương thức ngày càng đa dạng để xác định vị trí và trạng thái của đoàn tàu. Tuy nhiên, mạch điện đường ray vẫn là một công nghệ có ý nghĩa nền tảng trong lịch sử và kỹ thuật tín hiệu đường sắt.

Tiếp tục khám phá chuyên đề Đường sắt, Hạ tầng và Dự án trên trang technologyMAG

Bài viết này là một phần trong chuỗi nội dung chuyên sâu về ngành đường sắt, hạ tầng giao thông và các dự án phát triển quy mô lớn đang được triển khai tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Cùng với xu hướng đầu tư mạnh mẽ vào đường sắt tốc độ cao, metro đô thị, logistics, cảng biển, sân bay và các công trình hạ tầng chiến lược, lĩnh vực này đang đóng vai trò ngày càng quan trọng đối với năng lực cạnh tranh và sự phát triển bền vững của nền kinh tế.

Để giúp độc giả thuận tiện theo dõi toàn bộ các nội dung liên quan, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng trang tổng hợp Chuyên đề Đường sắt, Hạ tầng và Dự án, bao gồm các nhóm bài viết về quá trình hình thành hệ thống đường sắt và đường sắt tốc độ cao, công nghệ đường sắt, phương tiện và thiết bị, tín hiệu và điều khiển, phát triển hạ tầng giao thông, các dự án trọng điểm trong nước và quốc tế, cùng những xu hướng mới đang định hình tương lai của ngành.

Tìm hiểu thêm về chuyên đề Đường sắt, Hạ tầng và Dự án tại: https://www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-duong-sat/

Để xem các tin bài khác về “Mạch điện đường ray”, hãy nhấn vào đây.