КОНТАКТНАЯ СЕТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК B60M3/00 B60M3/02 

Изобретение относится к области электроснабжения электрифицированных железных дорог однофазного переменного тока.

Известна схема соединений разных фаз контактной сети переменного однофазного тока, при которой контактная сеть слева и справа от подстанции питается разными фазами от тягового трансформатора (фазы АС и ВС). Для исключения короткого замыкания между фазами А и В устанавливаются два изолирующих сопряжения, между которыми включается участок контактной подвески, не присоединенный ни к одной из фаз трансформатора. Такое соединение носит название "нейтральная вставка контактной сети" (1, стр. 242).

По условиям эксплуатации железных дорог переменного тока недопустимо прохождение нейтральной вставки и изолирующих сопряжений при включенной тяговой нагрузке. Соблюдение этого условия приводит к возникновению открытой электрической дуги на изолирующих сопряжениях и, как результат, короткому замыканию между фазами А и В тягового трансформатора, пережогу и падению контактной сети.

Длину нейтральной вставки принимают больше, чем расстояние между крайними токоприемниками ЭПС при любом сочетании включенных токоприемников. В настоящий момент при эксплуатации 16-вагонных электропоездов длина нейтральной вставки составляет 400.500 м.

Пример выполнения нейтральной вставки приведен в приложении 1. Это устройство контактной сети имеет с заявляемым общие элементы: контактную подвеску, разделенную двумя изолирующими сопряжениями, идентичные технические решения по конструкции; поэтому описанноеи в приложении 1 устройство принято в качестве аналога.

Устройство аналог имеет следующие недостатки:
1. Перед приближением к нейтральной вставке на ЭПС должна быть отключена вся нагрузка, так как заезд ЭПС с поднятым токоприемником и включенной нагрузкой на обесточенный участок вызывает появление электрической дуги на изолирующем сопряжении, приводящей к пережогу проводов контактной подвески (появляется, так называемая, "тянущаяся остаточная электрическая дуга").

Проезд нейтральной вставки под нагрузкой и перемыкание токоприемником ЭПС последовательно обоих изолирующих сопряжений вызывает образование двух электрических дуг, которые будут существовать и после проезда нейтральной вставки ЭПС. При этом возникает устойчивое короткое замыкание между фазами А и В, на которое не настроена релейная защита фидеров смежных подстанций (отсутствует настройка защиты на угол между током и напряжением при замыкании "за спиной" питающих фидеров).

3. Проезд нейтральной вставки требует от механика отключения ЭПС, выведения контроллера управления двигателям в нулевое положение и последующий набор тяговых позиций контроллером для дальнейшего движения поезда. Учитывая, что тяговые подстанции и, следовательно, нейтральные вставки располагаются друг от друга на расстоянии 40-60 км и скорости движения ЭПС 100 км/час, такие оперативные действия механик должен производить через 25.30 минут. На скоростной магистрали (V 200 км/ч) время прохода фидерной зоны, т. е. зоны между нейтральными вставками, сокращается до 12.15 минут.

4. Лобовое сопротивление движению поезда при скоростях 100.200 км/ч составляет обычно 20.25 кН, что вызывает резкое снижение скорости поезда после отключения тяговых двигателей. Следовательно, при прохождении нейтральной вставки дополнительно увеличивается потребление электроэнергии на разгон поезда (3, стр. 239, 353.354).

Известно устройство нейтральной вставки с системой комплектующего выключателя (1, стр. 245). Конструктивно и принципиально работа ЭПС в этом устройстве не отключается от описанного выше устройства аналога и заключается в следующем. В месте установки изолирующего сопряжения обе ветви контактной подвески соединяются с нейтральной вставкой не через разъединитель контактной сети, а через быстродействующий выключатель. ".При подаче напряжения на обесточенный участок нейтральной вставки через полоз токоприемника от специального реле напряжения включается быстродействующий выключатель, который шунтирует изолирующее сопряжение, тем самым предупреждая возникновение дуги или прекращая ее горение" [1] Затем этот выключатель отключается. Таким образом, принудительно отключается нагрузка ЭПС по условию минимального напряжения на токоприемнике электровоза (защита по минимальному напряжению).

Описанное устройство наиболее близко к заявляемому и принято в качестве прототипа. Устройство-прототип и заявляемое имеют общие элементы: контактную подвеску набегающей и сбегающей ветвей, изолирующие сопряжения, выключателю и контактный привод нейтральной вставки.

Однако устройство-прототип имеет следующие недостатки:
1. Непременное отключение тяговых двигателей ЭПС при прохождении нейтральной вставки (или вручную механиком ЭПС, или по автоматике отключением электрической цепи нагрузки от сигнальных реле).

2. Необходимо четкое соотношение времени отключения автоматического выключателя и времени прохождения нейтральной вставки ЭПС. Если токоприемник ЭПС пересечет второе, по ходу движения, изолирующее сопряжение раньше отключения автоматического выключателя, то возникает короткое замыкание между фазами электротяговой сети. Время прохода нейтральной вставки 200 м при скорости 100 км/ч составляет 7 с.

3. Необходимо выведение контроллера ЭПС на нулевую позицию, отключение главного выключателя, последующее его включение и набор позиций после прохождения нейтральной вставки механиком или автоматически.

4. Возникает торможение подвижного состава за счет лобового сопротивления во время отключения тяговых двигателей, как в устройстве-аналоге [3]
5. Наличие датчиков напряжения на нейтральной вставке с воздействием на включение и отключение выключателя по программе.

Целью настоящего изобретения является улучшение условий работы электроподвижного состава при проезде места соединения разнопотенциальных участков контактной сети переменного тока без отключения тока ЭПС и снижения скорости движения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержащее два участка контактной подвески, подключенные к разным фазам тяговой подстанцией и каждый выключатель с блоком управления и разъединитель, согласно изобретения дополнительно включены: датчик тока нагрузки, блоки включения и отключения выключателя, контактный резистор, выполненный по специальной технологии, и автотрансформатор со ступенчатым регулированием напряжения; причем, начало обмотки автотрансформатора присоединено к началу контактного резистора и через выключатель к первому участкуконтактной подвески; конец обмотки присоединен к концу контактного резистора и через разъединитель ко второму участку контактной подвески, а выводы обмотки от каждой ступени автотрансформатора, последующие за первой, присоединены к контактному резистору через равные промежутки длины; датчик тока нагрузки своим входом подключен к первому участку контактной подвески, а выходом к блоку включения выключателя и к первому входу блока отключения, выход блока включения присоединен к первому входу блока управления и ко второму входу блока отключения, выход которого подключен ко второму входу блока управления, связанного своим выходом с выключателем.

Эта же цель может быть достигнута тем, что вместо блока отключения выключателя включен датчик времени; причем датчик тока нагрузки своим входом подключен к первому участку контактной подвески, а своим выходом ко входу блока включения выключателя и ко входу датчика времени, который своим выходом подключен к первому входу блока управления, а выход блока включения выключателя подключен ко второму входу блока управления, выход которого связан с выключателем.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство контактной сети переменного тока конструктивным выполнением, принципом действия и схемным решением существенно отличается от известных технических решений этой задачи и этим соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений (аналогов) в области электрифицированных железных дорог переменного тока (системы питания 25 кВ, 2 х 25 кВ с автотрансформаторами, система с ЭУП и система с отсасывающими трансформаторами) позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существеннымиотличительными признаками в заявляемом техническом решении, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2 и 3. На фиг. 1, 2 и 3 приняты следующие обозначения:
1 первый участок контактной подвески;
2 выключатель;
3 автотрансформатор с выводами от секций со ступенчатым регулированием напряжения;
4 контактный резистор;
5 выводы обмотки ступеней регулирования автотрансформатора;
6 разъединитель контактной сети;
7 второй участок контактной подвески;
8 первое изолирующее сопряжение по ходу движения ЭПС;
9 блок включения выключателя;
10 датчик тока;
11 блок управления выключателя;
12 блок отключения выключателя;
13 второе изолирующее сопряжение по ходу движения ЭПС;
12' датчик времени.

Первый участок контактной подвески 1 (фиг. 1); подключенный к фазе А подстанции, присоединяется через выключатель 2 к началу обмотки автотрансформатора 3 и к контактному резистору 4. Автотрансформатор 3 через заданное число витков обмотки (ступень регулирования напряжения) имеет выводы 5, которые присоединяются с помощью питающих зажимов к контактному резистору 4. Контактный резистор 4 представляет собой элемент, обладающий заданным километрическим сопротивлением с линейной зависимостью
сопротивления от его длины. Конец обмотки автотрансформатора 3 присоединяется к концу контактного резистора 4 и оба этих элемента (3 и 4) через разъединитель 6 присоединены ко второму участку контактной подвески 7, который подключен к фазе В подстанции. Для контроля тока ЭПС при его приближении к месту установки изолирующего сопряжения 8, на несущем тросе контактной подвески, включен датчик тока 10, который должен быть установлен после места присоединения питающего фидера фазы А контактной сети в сторону изолирующего сопряжения 8. Выход датчика тока 10 своим выходом подключается 9 и к первому входу блока отключения выключателя 12. Выход блока включения выключателя 9 присоединен к первому входу блока управления выключателем 11 и одновременно ко второму входу блока отключения выключателя 12, а его выход подключен ко второму входу блока управления выключателем 11. Выход блока управления выключателем 11 присоединен к приводу выключателя 2, осуществляющему включение и отключение автотрансформатора 3 и контактного резистора 4. Однако, функциональная схема управления выключателем может быть выполнена по второму варианту. В этом случае, выход датчика тока 10 подключается ко входу блока включения выключателя 9 и одновременно ко входу датчика времени 12 (см. фиг. 2), выход которого подключен к первому входу блока управления выключателем 11. Выход блока включения выключателя 9 подключен ко второму входу блока управления 11, а его выход управляет выключателем 2.

Параметры датчика времени 12 выбираются исходя из анализа следующих физических величин: скорости движения ЭПС, длины контактного резистора 4, расстояния от места установки датчика тока 10 до первого изолирующего сопряжения 8. В рабочем состоянии разъединитель 6 находится во включенном положении и шунтирует обе ветви изолирующего сопряжения 13 (замыкает накоротко) иподключает ко второму участку контактной подвески 7 контактный резистор 4 и конец обмотки автотрансформатора 3. Таким образом, со стороны конечного вывода и автотрансформатор 3, и контактный резистор 4 отказываются присоединенными к фидеру. "В" тяговой подстанции.

При движении ЭПС со стороны первого участка контактной подвески 1 и проследовании им места установки датчика тока 10, на выходе датчика появляется сигнал, который подается на блок включения выключателя 9. В датчик тока 10 входит пороговый элемент, который по условиям эксплуатации настраивается на порог срабатывания равный минимальному значению тока ЭПС при включенных электродвигателях, но не более 15.20 А. С выхода блока включения выключателя 9 поступает команда на блок управления выключателем 11. Исполнение этой команды возможно в случае, если на второй вход блока управления 11 не поступает запретная команда от блока отключения выключателя 12. Эта команда на выходе блока отключения 12. Эта команда на выходе блока отключения 12 формируется после совпадения двух сигналов на его выходе: сигнал от датчика тока 10 о наличии в контактной сети тока нагрузки и сигнала от блока включения выключателя 9, показывающего, что блок исправен и дает команду на включение выключателя 2.

Появление разрешающего сигнала на логических входах блока управления выключателем 11 вызывает появление сигнала на включение выключателя 2 на его выходе. Выключатель 2, включившись, замыкает накоротко первое изолирующее сопряжение 8 и подключает к первому участку контактной сети 1 и, следовательно, к фидеру фазы А тяговой подстанции начало обмотки автотрансформатора 3 и начальный вывод контактного резистора 4. При этом на контактный резистор 4 и автотрансформатор 3 подается напряжение между фазами А и Втяговой подстанции, т.е. линейное напряжение трансформатора равное 27500 В (см. фиг. 3а).

Выводы 5 от секций автотрансформатора 3 присоединяются к контактному резистору 4 с помощью питающих зажимов по всей его длине от первого изолирующего сопряжения 13 через равные промежутки длины резистора. Число секций резистора в промежутке обоими изолирующими сопряжениями равно числу выводов 5 от секций автотрансформатора плюс один (см. фиг. 3.а).

Таким образом, напряжение на ЭПС по мере его перемещения от первого изолирующего сопряжения 8 до второго 13 по контактному резистору 4 будет изменяться плавно от напряжения АС до напряжения ВС, что позволяет обеспечить беспрерывное питание тяговых двигателей. Это положение поясняется фиг. 3.б, на которой представлена векторная диаграмма питающих напряжений. Рассмотрим три случая расположения электровоза:
электровоз расположен в месте первого сопряжения контактной подвески 8; в этом случае, на его токоприемник подается напряжение фазы АС, равное 27500 В;
электровоз расположен в середине зоны в точке О между изолирующими сопряжениями 8 и 13, допустим, в зоне между выводами К и Л автотрансформатора 3; при этом напряжение на выводе К или выводе Л может быть определено по векторной диаграмме (фиг. 3.б). В любом случае это напряжение будет больше значения 23820 В (напряжение между фазами А и В принято 27500 В). Между этими выводами включен участок контактного резистора 4, от которого получает питание электровоз. Самый неблагоприятный режим питания электровоза, когда он находится посредине контактного резистора между выводами К и Л, т.е. в точке О. Допустим, шаг ступени междувыводами автотрансформатора 3 составляет 1500 В, величина сопротивления резистора 4 составляет 50 Ом и ток электровоза 200 А. В этом случае, напряжение на его токоприемнике определится разностью напряжений в точке К или Л и падением напряжения на резисторе 4 от точки К до электровоза. Ток электровоза делится пополам между источниками питания в точках К и Л, значит падение напряжения составляет ΔU = (I_эл/2) • (R_э/2) (200/2)•(50/2) 2500 В. Значение напряжения на токоприемнике в самом неблагоприятном расположении электровоза составит 23820-2500 21320 В, что больше минимально допустимого режима для движения ЭПС;
электровоз расположен в месте второго сопряжения контактной подвески 13. На его токоприемник подается напряжение фазы ВС, равное 27500 В. Согласно векторной диаграмме фиг. 3.б.

После прохождения второго изолирующего сопряжения 13 электровозом величина тока, протекающего через контактный резистор 4 и автотрансформатор 3 снижается до величины режима отсутствия нагрузки. В зависимости от выбранных параметров автотрансформатора и контактного резистора. Эта величина может составлять 20/30 А и менее. На это значение настраивается пороговый элемент датчика тока 9, который посылает со своего выхода команду на отключение выключателя 2 через блок управления выключателем 11. Однако, подача команды на отключение выключателя 2 может осуществляться не только от порогового элемента датчика тока 9, но и от элемента выдержки времени 12, включенного в блок управления выключателем 11 (см. фиг. 2). В этом случае, выдержка времени от момента включения выключателя до его отключения определяется скоростными характеристиками ЭПС, длиной контактного резистора 4, расчетными мощностями и тепловыми характеристиками автотрансформатора 3.

Сопоставление заявляемого устройства с прототипом позволяет сделать вывод о наличии нескольких преимуществ, а именно:
при проезде ЭПС места соединения разнопотенциальных участков контактной сети переменного тока не требуется отключения тока ЭПС и производства связанных с этим операций в силовых цепях локомотива;
при проследовании нейтральной вставки ЭПС непрерывно получает питание от электротяговой сети, что исключает неблагоприятные процессы в тяговых и других машинах локомотива, связанные с исчезновением и восстановлением напряжения на токоприемнике;
непрерывность питания ЭПС позволяет избежать снижения скорости поезда и существенно снизить потери электроэнергии, связанные с его последующим разгоном;
практически отсутствует возможность возникновения открытой электрической дуги на полирующих сопряжениях нейтральной вставки, а следовательно пережога контактной сети;
действие автоматически заявляемого устройства не связано со скоростью движения ЭПС на нейтральной вставке.

Использование: в области электроснабжения электрифицированных железных дорог однофазного переменного тока. Сущность изобретения: первый участок контактной подвески, подключенный к фазе А подстанции, присоединен через выключатель к началу обмотки автотрансформатора и к контактному резистору. Конец обмотки автотрансформатора и контактный резистор через разъединитель присоединены ко второму участку контактной подвески, на несущем тросе контактной подвески включен датчик тока, после места подсоединения питающего фидера фазы А контактной сети в сторону изолирующего сопряжения. Выход датчика тока подключен к входу блока включения выключателя и к первому входу блока отключения выключателя. Выход блока включения выключателя присоединен к первому входу блока управления выключателем и одновременно ко второму входу блока отключения выключателя. Выход блока управления выключателем присоединен к приводу выключателя, осуществляющему включение и отключение автотрансформатора и контактного резистора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Контактная сеть переменного тока, содержащая два участка контактной подвески, подключенные к разным фазам тяговой подстанции каждый, выключатель с блоком управления и разъединитель, отличающаяся тем, что в нее дополнительно включены датчик тока нагрузки, блоки включения и отключения выключателя, контактный резистор, выполненный из материала с удельным сопротивлением 3 10 Ом/м, и автотрансформатор со ступенчатым регулированием напряжения, причем начало обмотки автотрансформатора присоединено к началу контактного резистора и через выключатель к первому участку контактной подвески, конец обмотки присоединен к концу контактного резистора и через разъединитель к второму участку контактной подвески, а выводы обмотки от каждой ступени автотрансформатора, последующие за первой, присоединены к контактному резистору через равные промежутки длины, датчик тока нагрузки своим входом подключен к первому участку контактной подвески, а выходом к блоку включения выключателя и к первому входу блока отключения выключателя, выход блока включения выключателя присоединен к первому входу блока управления и к второму входу блока отключения выключателя, выход которого подключен к второму входу блока управления, связанного своим выходом с выключателем. 2. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что блок отключения выключателя выполнен с датчиком времени, входом запуска которого образован первый вход блока, а выходом выход блока.