トラックサーキット

軌道回路は、信号機に列車が線路上にいないことを証明し、関連する信号を制御するために使用される電気装置です。軌道回路の代替として、車軸カウンタがあります。

軌道回路の基本原理は、機関車や車両の車輪と車軸で 2 つのレールを接続し、電気回路を短絡させることにあります。この回路は電気機器によって監視され、列車の不在を検出します。これは安全装置であるため、フェイルセーフ操作が重要です。したがって、回路は障害が発生したときに列車の存在を示すように設計されています。一方、誤った占有率の読み取りは鉄道の運行に支障をきたすため、最小限に抑える必要があります。

軌道回路により、前方の線路に列車がいる場合に列車の減速や停止を促す信号を表示することで、鉄道信号システムを半自動的に操作できます。軌道回路は、線路の占有状況をディスパッチャやオペレータに通知し、信号に危険な表示が出ないようにすることで、ディスパッチャやオペレータによる事故防止に役立ちます。

トラック回路では通常、各レールに電力が供給され、レール全体にリレーコイルが配線されています。列車がいないときは、電源からレールに流れる電流によってリレーが通電されます。列車が通っているときは、列車の車軸がレールを短絡 (シャント) します。トラック リレー コイルへの電流が低下し、コイルは通電されなくなります。したがって、リレー接点を通る回路は、線路が使用されているかどうかを報告します。

各回路は、ブロックなどの線路の特定のセクションを検出します。これらのセクションは、通常は両方のレールにある絶縁ジョイントによって分離されています。絶縁が失敗した場合に 1 つの回路が別の回路に誤って電力を供給しないように、通常はセクション間で電気の極性が反転されます。回路は低電圧 (1.5 ～ 12 V DC) で電力供給されます。リレーと電源はセクションの反対側の端に接続され、レールの破損によって線路の一部が回路から電気的に分離されるのを防ぎます。直列抵抗器は、線路回路が短絡したときに電流を制限します。

一部の鉄道電化方式では、走行レールの 1 つまたは両方が戻り牽引電流の搬送に使用されます。この場合、非常に大きな牽引電流が極めて小さい軌道回路電流を圧倒する ため、基本的な DC 軌道回路は使用できません。

走行線路または近接する線路で DC 牽引が使用されている場合、DC 軌道回路は使用できません。同様に、50 Hz AC 電化が使用されている場合、50 Hz AC 軌道回路は使用できません。

これに対応するため、AC トラック回路では直流(DC)の代わりに交流(AC) 信号を使用しますが、通常、AC 周波数は 91 Hz から 10 kHz までの可聴周波数の範囲内です。リレーは、選択された周波数を検出し、DC および AC 牽引周波数信号を無視するように配置されています。この場合も、フェイルセーフの原則により、リレーは信号の存在を空線と解釈し、信号がない場合は列車の存在を示します。AC 信号はコード化でき、機関車に誘導ピックアップを装備してキャブ信号システムを作成できます。

複数の軌道回路ブロックにまたがる牽引電流の連続経路を提供する一般的な方法は 2 つあります。最も簡単な方法は、2 つのレールのうち 1 つだけに絶縁された軌道回路ジョイントを設置し、もう 1 つを戻り電流の経路と軌道回路レールの接地にすることです。この方法には、1 つのレールの破損しか検出できないという欠点があるため、より一般的な 2 レール システムでは、インピーダンス結合を使用して、分離された軌道回路ブロック間で牽引電流を通過させながら、軌道回路周波数で電流をブロックします。

AC 回路は、DC トラック回路に干渉する迷走電流が発生する状況のあるエリアで使用されることがあります。

現代の線路は連続溶接されることが多く、接合部は敷設中に溶接されます。この方法には多くの利点がありますが、信号システムには、ブロック セクションを形成するためのレールの自然な切れ目がなくなるという利点があります。このシナリオで個別のブロックを形成する唯一の方法は、各ブロック セクションで異なるオーディオ周波数 (AF) を使用することです。1 つのセクションからのオーディオ信号が隣接するセクションに渡るのを防ぐために、セクション境界でレールをまたいで同調回路のペアが接続されます。同調回路には、送信された信号を線路に適用するか、セクションのもう一方の端から受信した信号を回復する回路が組み込まれることがよくあります。

図のように 2 つのブロック セクションを持つ鉄道を考えてみましょう。セクション 1 では、周波数 A が左端から注入され、右端で受信されます。セクション 2 はセクション 1 の右端から続き、周波数 B が注入され、セクション 2 の右端で受信されます。

周波数 A が受信される場所と周波数 B が注入される場所の間にはギャップがあることがよくあります。これは「同調ゾーン」と呼ばれ、周波数 A の振幅がセクション 2 の方向に減少し、周波数 B の振幅がセクション 1 の方向に減少するトラックのセクションです。同調ゾーンの長さは 20 m 程度になることがあります。

継ぎ目のない軌道回路の利点:

• 絶縁ブロックジョイントを排除し、機械的故障（絶縁と隣接するレールへのストレスの両方）とメンテナンスが発生しやすいコンポーネントを排除します。
• 電化地域では、ジョイントレス軌道回路では、他の複線牽引戻り軌道回路よりもインピーダンス結合が少なくて済みます。

継ぎ目のない軌道回路の欠点:

• チューニング ゾーンのフィルター特性が乱れる可能性があるため、チューニング ゾーン内またはその近くにインピーダンス結合、つまり通電目的の接続を配置することは制限されます。
• 電子回路は落雷に対してより脆弱です。

CSEE（現Ansaldo STS）UM71は、別の種類の継ぎ目のない軌道回路です。片方の線路では1700Hzと2300Hzを使用し、もう片方の線路では2000Hzと2600Hzを使用します。^[1]迷走電流による誤った側での故障の可能性を減らすため、変調周波数は基本周波数を128で割って計算されます。送信機側（Tx）が列車の先頭にある限り、 列車の機器でさまざまな変調率を検出し、自動列車制御に使用できます。

EBItrack (旧称TI21 ) および Westinghouse FS2500ジョイントレス トラック回路は、 UM71 に似ています。

CSEE などの継ぎ目のない軌道回路は、データ ピックアップ ユニット(DPU)で分割できます。これは、2 つの軌道回路に分割するよりも安価です。DPU を使用すると、カスケード接続された一連の軌道回路全体の周波数を変更する必要がなくなります。DPU は、隣接するレールの電流の有無を検出し、それに応じてリレーをオンまたはオフにする調整済みコイルで構成されます。DPU の用途の 1 つは、タイミング回路です。各軌道回路周波数には、その周波数に調整された独自の DPU があります。DPU は、ほとんどどこにでも配置できます。継ぎ目のない軌道には最小長があるという制限を克服します。

非電化地域では、直流コード軌道回路が使用されることがあります。これは、電源端からリレー端に流れる電流を変調し、線路配線を必要とせずに信号とキャブ信号を制御します。変調された電流は、線路に接続された機器によって検出され、信号と表示情報を提供して、適切なキャブ信号（利用可能な場合 ）をアクティブ化します。 ^[2]踏切を操作するために、予測システムを重ねることができます。^[3]

コード化されたトラック回路のブランドには次のものがあります。

• アルストム（旧GE）エレクトロコード5
• Microtrax/E-Code (日立、旧ユニオン スイッチ & シグナル)

セクションの長さが軌道回路の実際の長さを超える場合は、カット トラックを設置できます。カット トラックでは、最後のトラックのリレーが最後から 2 番目の軌道回路の電源供給をカットします。カット トラックは、単方向のトラックにのみ適しています。

バラストが汚染された軌道回路は、バラストが良好な軌道回路よりも短くなるため、より多くの切断軌道が必要になります。

高電圧インパルストラック (HVIT) 回路の一般的なブランドの 1 つは、 Jeumont-Schneider 社製です。高電圧は錆やその他の問題を貫通します。

HVIT は、約 100 V DC の狭い正のパルスと、約 30 V DC の広い負のパルスの 2 つのパルスを交互に送信します。2 つのパルスのエネルギーは同じです。受信側では、RC 回路が 2 つのパルスを統合します。リレーが受信するには、これらのパルスの比率が正しい必要があります。RC 回路は、正のパルスと負のパルスが正しい位相にあることを確認します。2 つのパルスは約 1 Hz で動作します。

この回路は、追加の機器を使用して、AC および DC 電化線で動作します。

非電化地域では、絶縁ブロックジョイントは各レールに 1 つずつ、ペアで配置されます。

電化地域では、数千アンペアの牽引電流を変電所に戻すための回避策が必要です。これは、戻りレールと呼ばれるレールの 1 つに絶縁ブロック ジョイントを置かないようにすることで実現できます。

両方のレールで大量の牽引戻り電流を流す必要がある場合は、両方のレールに絶縁ブロックジョイントが設けられ、絶縁ジョイントの周囲に牽引電流を流すためにインピーダンスボンドが設けられます。インピーダンスボンドは基本的にセンタータップコイルで、たとえば 50 Hz の牽引電流に対しては低いインピーダンスを提供し、たとえば 1.7 kHz の信号電流に対しては高いインピーダンスを提供します。

鉄道の車輪は鋼鉄で作られており、レール間の短絡（シャント抵抗）が良好です。

車輪の数が多い長い列車は導電性が優れています。短い列車、軽量のレールモーター、または単一のエンジンは問題になることがあります。ニュージーランドでは、軽量のRm クラスのレールモーターが常に検出されないという問題がありました。ニュージーランドの鉄道信号を参照してください。軽量でディスクブレーキを備えた単一のBuddレールモーターを搭載した列車は停止時に問題が発生し、レールとの接触を確実にするために 2 回停止する必要がありました。^{[引用が必要]}

鋳鉄製のブレーキシューは、車輪から非導電性の破片 (葉や砂をベースとしたトラクション化合物など) を除去する傾向がありますが、ディスク ブレーキはそうではありません。そのため、一部のディスク ブレーキ車両には、軌道回路の適切な動作を助けるために車輪を洗浄する「スクラバー パッド」が搭載されています。^{[引用が必要]}

信号保守担当者が「重要なリレー」と呼ぶ軌道回路リレーは、間違った側で故障する可能性を減らすために特別に設計されています。たとえば、電力サージや落雷後に間違った接点が溶着して閉じてしまう可能性を減らすために、炭素銀接点を備えている場合があります。

回路は、ほとんどの障害で「トラックが占有されている」という表示（右側障害と呼ばれる）が出るように設計されています。例:

• レールまたはワイヤが破損すると、電源とリレー間の回路が切断され、リレーの電源が切れます。以下の例外を参照してください。
• 電源に障害が発生すると、リレーの電源が切れます。
• レール全体または隣接する線路セクション間でショートが発生すると、リレーの電源が切れます。

一方、回路が列車を検出できない障害モード（間違った側障害​​と呼ばれる）が発生する可能性もあります。例は次のとおりです。

• リレーの機械的な故障により、線路が占有されている場合でもリレーが「線路クリア」の位置で動かなくなります。
  • 1 つのパースペックス ケースが熱で変形し、リレー接点に触れて接点が持ち上がってしまいました。
  • 別の Q シリーズの「ミニチュア」リレーでは、金属ワッシャーが外れてリレーの接点が詰まってしまいました。そのため、半円形ワッシャーを全円形ワッシャーに交換する必要がありました。
• レール上の錆、砂、または乾燥した葉など、車輪がレールから部分的または完全に絶縁される状態。これは「入換不良」(北米およびオーストラリアでは「入換失敗」) とも呼ばれます。軽量で走行する機関車のすべての車輪で作動するサンディング ギアは、サンディングが終了して機関車が線路をさらに進むまで、車輪をレールから一時的に絶縁することができます。
• 牽引復帰の目的で複数の平行パスが存在する場合、牽引復帰に使用されるレールの破損レール検出は失われます。そのレールで複数の破損が発生すると、列車が破損箇所の間にあるときに誤ったクリアが発生する可能性があります。
• 泥だらけのバラスト（「バッテリー効果」を発生させる可能性がある）や近くの送電線からの寄生電流など、迷走電気信号を生成する軌道床（路盤）の状態。
• 軌道回路を制御する機器の寄生振動。 ^[4]
• 良好な電気的接触を確保するには重量が足りない機器 (シャント障害)、または車輪を電気的に絶縁する必要がある機器。
• 絶縁レールジョイントと軌道回路給電配線間のレール破損は検出されません。

誤った「線路クリア」信号 (北米では通常「偽クリア」として知られています) につながる故障モードにより、列車が占有ブロックに進入し、衝突の危険が生じる可能性があります。ホイール スケールと短い列車も問題になる場合があります。また、踏切の警報システムが作動しなくなることもあります。これが、英国で実際に踏切回路に 踏み板が使用されている理由です。

こうした種類の故障に対処するために、さまざまな手段が用いられます。たとえば、リレーは非常に高い信頼性で設計されています。電気系統に問題がある地域では、干渉を受けにくい異なる種類の軌道回路が使用されることがあります。落ち葉が問題になる場合や場所では、速度が制限されることがあります。レールを確実に迂回できない機器を通行させるために、交通が禁止されることがあります。

妨害行為は可能です。1995年のパロベルデ脱線事故では、妨害者は線路の破損を隠すために移動させたレールの部分を電気的に接続しました。そのため、線路回路は破損を検知せず、機関士には「停止」の指示が出されませんでした。別の妨害行為は、列車の衝突を引き起こすのではなく、経済や潜在的な負傷者を妨害するために列車を不必要に停止させ、減速させることを目的としたもので、2 本のレールの間にワイヤーを結び、偽の障害信号を発生させるものです。^{[5] [6]}

軌道回路はレールと車輪の間の適切な電気的接触に依存しており、汚れはレールと車輪を絶縁してしまう可能性がある。よくある問題は落ち葉だが、潰れた昆虫が検知障害を引き起こすケースもある。^[7]

より根深い問題は錆です。通常、線路の先端は、列車の車輪が定期的に通過することで錆びずにきれいになります。定期的に使用されない線路は、車両が検知できないほど錆びることがあります。あまり使用されない分岐器や渡り線、ターミナル プラットフォームの線路の端も錆びやすくなります。これを克服するための対策には、次のものがあります。

• 車両を検出するための踏み板または踏み板。これらは機械式です。
• レールの頭に溶接されたステンレス鋼のストリップ（多くの場合ジグザグ形状）; ステンレス鋼は錆びません。
• 高電圧インパルストラック回路;
• トラック回路アシスト（TCA） - 錆層の抵抗を分解する列車搭載型システム。
• 影響を受けたセクション上の車軸カウンター
• 次の軌道回路で列車が検出されない限り、軌道回路が拾うことができないトンネルスティック。

絶縁ブロックジョイントは、状況によってはホイールスケールによって橋渡しされ、1つまたは2つの軌道回路が故障する原因となることがあります。この問題は、約4メートル離れたブロックジョイントのペアを直列に接続することで軽減できます。短い4メートルのセクション自体は軌道回路ではありません。^[8]

電気機関車は、軌道回路が使用する周波数でノイズを発生しないようにする必要があります。SNCBクラス 13 にはそのような問題がありました。

絶縁ブロックジョイントを通過する短く軽量で高速の列車は、到着軌道回路に現れる前に出発軌道回路から消えてしまう可能性があり、誤った明確な信号が発せられる可能性があります。この問題は、出発軌道回路に 1 ～ 2 秒の時間遅延を導入することで解決できます。CSEE などの電子軌道回路では、このような時間遅延を簡単に組み込むことができます。

複数のポイントの検出器を、それらのポイント上の軌道回路を介して配線すると便利な場合があります。これは、次の 2 つの方法のいずれかで実行できます。

• ポイント検出器の接点は、ポイントが逆の場合にトラック回路を短絡させ、信号を赤にすることができますが、これはフェイルセーフではありません。
• 軌道回路は追加のブロックジョイントで分割することができ、ポイントが正常で信号が緑色のライトを受信する資格がある場合、ポイント内の検出器が軌道回路を完了します。これは部分的にフェイルセーフです。
• 分岐器に 2 番目のリレーを設置し、その接点をメイン リレーと直列に配線することができます。これはフェイルセーフですが、高価です。^{[疑わしい–議論する]}

英国のすべての重鉄道列車に搭載されている簡単な安全装置は、軌道回路操作クリップ（TCOC）です。^[9]これは、レールに留める2つの金属製スプリングクリップを接続する長いワイヤーです。事故や障害が発生した場合、両方のレールに取り付けられたクリップは、その線路が使用されていることを示し、そのセクションの信号を危険にさらします。

英国の 緊急保護手順^{[9]では、事故により隣接線が閉塞した場合に信号機と直ちに連絡が取れない場合、影響を受けるすべての走行線にTCOCを設置することが義務付けられています。}

TCOC は、車軸カウンタや踏み板などの軌道回路によって列車が検出されない場合は効果がありません。

軌道回路が初めて使用されたのは、1864年にウィリアム・ロバート・サイクスがロンドン・チャタム・アンド・ドーバー鉄道のブリクストンの短い区間でのことだった。 ^[10]フェイルセーフ軌道回路は、1872年にアメリカの電気機械技術者ウィリアム・ロビンソンによって発明された。彼が導入した信頼性の高い閉塞占有検出方法は、現在ほぼ普遍的に使用されている自動信号システムの開発の鍵となった。^{[11] : 3ff}

最初の鉄道信号は、信号係や駅員によって手動で操作されていました。信号の表示を変更するタイミングは、多くの場合、操作員の判断に委ねられていました。人為的なミスや不注意により、不適切な信号や列車の衝突が発生することもありました。

19 世紀半ばに電信が導入されたことで、かなりの距離にわたって情報を電気的に伝達できることが示され、鉄道信号を電気的に制御する方法の研究が促進されました。ロビンソン以前にもいくつかのシステムが開発されていましたが、列車の動きに自動的に反応できるものはありませんでした。

ロビンソンは1870年に初めて全自動鉄道信号システムを模型で実演した。その後、実物大バージョンがペンシルベニア州ラドロー（別名キンズーア、ペンシルバニア州）のフィラデルフィア・アンド・エリー鉄道に設置され、実用性が証明された。彼の設計は、小さな線路脇の信号小屋の上に設置された電動ディスクで構成され、オープントラック回路に基づいていた。ブロック内に列車がいないときは信号に電力が供給されず、線路が空いていることが示された。^{[11] : 4}

この仕組みの本質的な弱点は、安全でない状態で故障する可能性があることでした。たとえば、軌道回路の断線は、たとえ列車がいたとしても、ブロック内に列車がいないと誤って表示します。これを認識したロビンソンは、上記の閉ループ軌道回路を考案し、1872年に以前の回路の代わりに設置しました。その結果、その後の開発の原型となった、完全に自動化されたフェイルセーフ信号システムが生まれました。^{[11] : 6–9}

英国は列車を制御する信号機の使用の先駆者であったにもかかわらず、ロビンソンの設計を採用するのに時間がかかりました。当時、英国の鉄道の多くの車両は木製の車軸や木製のハブを備えた車輪を備えていたため、軌道回路と互換性がありませんでした。

軌道回路の設置により、次のような多数の事故が防止できたはずです。

• ノートン・フィッツワーレン鉄道事故（1890年）
• ホーズジャンクション鉄道事故（1910年）
• クインティンシル鉄道事故（1915年）
• ジュリー交差ループ衝突（1963年）

線路回路自体の故障によって起こる事故ははるかに稀です。例:

• コーワン鉄道事故は、レール上の砂によって車輪がレールから絶縁され、入換が失敗して後続の閉塞信号が不適切に明瞭な表示をし、追突事故を引き起こした。
• モラヴァニ鉄道衝突事故はモラヴァニ駅で発生した。砂撒き装置の破損によりレール上に砂の層が形成され、レールの分岐が失われた。駅の設備はこれを線路が空いていると解釈し、別の列車が駅に進入することを許したが、その列車は後ろから前の列車に衝突した。^[12]
• 2009年6月22日、ワシントンメトロの列車衝突事故が発生しました。これは、軌道回路制御モジュールに寄生振動が発生したために発生しました。 ^[4]

軌道回路は、片方または両方の軌道に電流を流すことで動作するため、レールが完全に破損したかどうかを検出できる場合があります。ただし、破損が部分的であったり、分岐器 (ポイントのセット) で破損している場合は、検出できないことがあります。

• ヒザーグリーン鉄道事故（1967年） - レール上部の破損による脱線
• ウェヤウェガ脱線事故（1996年） - 分岐器のレール破損が未検出。
• ビッグ バイユー カノット鉄道事故(1993 年) -橋の上の連続溶接レールが破損していないがひどくねじれており、信号にはまだクリアな状態を示していた。

• 鉄道信号の応用
• 軌道遮断装置
• 間違った側の失敗