Путевой дроссель-трансформатор с компенсирующим устройством магнитного потока сердечника Российский патент 2020 года по МПК B61L23/16 

Изобретение относится к устройствам железнодорожной автоматики и телемеханики и предназначено для компенсации магнитного потока путевого дроссель-трансформатора при асимметрии обратного тягового тока. Устройство позволяет обеспечить защиту аппаратуры рельсовых цепей от влияния асимметрии обратного тягового тока.

В настоящее время более 25 процентов отказов аппаратуры рельсовых цепей от общего количества отказов связано с влиянием асимметрии обратного тягового тока. Для пропуска обратного тягового тока в обход изолирующих стыков рельсовых цепей используются путевые дроссель-трансформаторы без компенсирующего устройства. Основные полуобмотки дроссель-трансформаторов смежных рельсовых цепей соединяются через среднюю точку и обеспечивают дифференциальный пропуск составляющих обратного тягового тока рельсовых нитей. К дополнительной обмотке дроссель-трансформатора подключается аппаратура рельсовой цепи [1].

Проведенные в работе [2] исследования показывают, что при равенстве составляющих тягового тока в рельсовых нитях суммарный магнитный поток в сердечнике дроссель-трансформатора равен нулю и исключается индуцирование напряжения дифференциальной составляющей тягового тока в дополнительной обмотке. Сигнальный ток аппаратуры рельсовой цепи, отличный по частоте от тягового тока, проходит через дополнительную обмотку в одном направлении и индуцирует напряжение в рельсовой линии. При неравенстве составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях (асимметрии обратного тягового тока) суммарный магнитный поток в сердечнике дроссель-трансформатора является отличным от нуля, в результате чего индуцируется напряжение составляющей тягового тока в дополнительной обмотке, оказывающее негативное воздействие на работу рельсовой цепи.

Известно устройство путевого дроссель-трансформатора [3], в котором достигнуто уменьшение асимметрии обратного тягового тока за счет размещения устройства симметрично рельсовых нитей и одинаковой длины дроссельных перемычек. Однако, данное конструктивное изменение, в большей степени, направлено на удобство монтажа и уменьшение помех работы локомотивных устройств безопасности. Разность длины дроссельных перемычек в штатном устройстве незначительная и несущественно оказывает влияние на асимметрию обратного тягового тока в рельсовых нитях.

Среди технических решений, направленных на уменьшение влияния асимметрии обратного тягового тока на работу рельсовых цепей известно устройство, описанное в источнике [4]. В данном устройстве средняя точка штатного путевого сдвоенного дроссель-трансформатора подключается через фильтр, обеспечивающего за счет настройки в резонанс на частоту сигнального тока высокое сопротивление протеканию сигнального тока и низкое сопротивление тяговому току. Однако, низкая добротность фильтра вследствие низкой частоты сигнального тока и высокая стоимость реактивных элементов, исключают практическое применение данного устройства.

Также известно устройство рельсового дроссель-трансформатора с размагничивающей обмоткой [5], предназначенное для уменьшения влияния асимметрии обратного тягового тока. Отличительной особенностью данного устройства от используемых на железнодорожном транспорте дроссель-трансформаторов является наличие компенсационной обмотки. Она не влияет на работу рельсовой цепи и предназначена для создания компенсирующего магнитного потока в сердечнике дроссель-трансформатора при неравенстве составляющих тягового тока в рельсовых нитях. Компенсационная обмотка подключается к источнику тока, управляемому посредством измерительного устройства разности составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях. К недостаткам рассмотренного устройства следует отнести:

- сложность реализации мощного управляемого источника тока;

- наличие дополнительного источника электропитания на железнодорожных участках, оснащенных устройствами автоблокировки с централизованным размещением оборудования;

- необходимость соответствующего климатического исполнения схемы управляемого источника тока и измерительного устройства (температура, влажность).

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, защищенное патентом Российской Федерации [6], выбранное в качестве прототипа.

Схема прототипа работает следующим образом. На магнитопроводе дроссель-трансформатора параллельно основной обмотке размещаются две дополнительные компенсирующие обмотки: одна с отводом от внутреннего витка, другая - встречно включенная с последней. При возникновении неравенства тяговых токов в рельсовых нитях (РН) на концах обмоток, подключенных к ним, возникает разность потенциалов, под действием которой в обмотках протекают токи, создающие встречные магнитодвижущие силы. Результирующий поток от этих магнитодвижущих сил равен нулю. С целью исключения влияния компенсирующей обмотки на работу дополнительной обмотки от внутреннего витка компенсирующей обмотки включена электрическая емкость. Емкость, включенная параллельно индуктивностям обмоток и, образует двухполюсник с большим (теоретически бесконечным) сопротивлением для сигнального тока. В то же время полуобмотка к которой подключена емкость, будет создавать переменную магнитодвижущую силу и переменный магнитный поток в магнитопроводе дроссель-трансформатора, который окажет воздействие на процесс трансформации сигнальных токов. Для устранения этого воздействия в резонансный контур включена вторая компенсирующая обмотка. Электродвижущая сила этой обмотки должна быть равна электродвижущей силе полуобмотки основной компенсирующей обмотки и направлена встречно [6].

К недостаткам схемы прототипа следует отнести: значительное усложнение конструкции путевого дроссель-трансформатора вследствие необходимости намотки двух дополнительных обмоток; наличие дорогостоящего резонансного конденсатора большой емкости, рассчитанного на значительные токи и напряжения. Необходимость в большом номинале емкости конденсатора вызвана относительно малой индуктивностью дополнительных обмоток вследствие значительного сечения провода и малой частотой сигнального тока. Низкая добротность колебательного контура вследствие малых частот сигнального и тягового тока (25 и 50 Гц соответственно) приведет к малой эффективности схемы и значительному влиянию компенсирующих обмоток на трансформацию сигнального тока.

Целью изобретения является повышение надежности работы рельсовых цепей за счет защиты аппаратуры от негативного воздействия гармоник тягового тока.

Это достигается тем, что в разностном токовом трансформаторе, подключенном к рельсовым нитям и являющемся составной частью изобретения, на вторичной обмотке формируется ток компенсации, который передается на компенсационную обмотку путевого дроссель-трансформатора и формирует магнитный поток в его сердечнике. Магнитный поток компенсирует составляющую асимметрии в сердечнике и как следствие на дополнительной обмотке дроссель-трансформатора.

Изобретение представляет собой устройство, принципиальная и структурная схемы которого, представлены соответственно на фиг. 1 и 2.

В разрабатываемом устройстве составляющие тягового тока рельсовых нитей пропускаются через одновитковые обмотки дифференциального трансформатора 4 в разных направлениях. Одновитковые обмотки дифференциального трансформатора выполнены из гибкого медного провода сечением не менее 50 квадратных миллиметров для пропуска соответствующих номиналов тяговых токов. Тороидальный сердечник марки ОЛ дифференциального трансформатора выполнен из электротехнической стали. Размеры сердечника могут быть выбраны исходя из требуемой мощности. Вторичная обмотка дифференциального трансформатора выполнена в виде трех-четырех витков медного гибкого провода сечением 10 квадратных миллиметров. Данная обмотка рассчитана на разность тяговых токов, которая по нормативным значениям не должна превышать 50-60 А. Выделенная разность тяговых токов рельсовых нитей поступает в виде тока вторичной обмотки дифференциального трансформатора на компенсационную обмотку 3, намотанную на средней части Ш-образного сердечника дроссель-трансформатора. Компенсационная обмотка наводит в сердечнике дроссель-трансформатора магнитный поток, направленный встречно разностному магнитному потоку, образованному основными полуобмотками 1.

Таким образом, суммарный магнитный поток, образованный составляющими обратного тягового тока в сердечнике дроссель-трансформатора, при любом уровне асимметрии в рельсовых нитях равен нулю. Сигнальный ток с дополнительной обмотки 2 проходит через одновитковые обмотки дифференциального трансформатора в одном направлении и создает суммарное значение напряжения на компенсационной обмотке на частоте 25 Гц. Однако, в силу малости значения сигнального тока (не более 2-3 А) и малого соотношения числа витков первичных и вторичной обмотки дифференциального трансформатора на компенсационной обмотке дроссель-трансформатора выделяется составляющая энергии сигнального тока, не более 10 процентов энергии от энергии основных полубмоток. В результате изменение напряжения сигнального тока на дополнительной обмотке незначительное и может быть нормировано регулировочными устройствами, входящими в состав рельсовой цепи.

Список использованных источников

1. Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник - 3-е издание, перераб. и доп. / B.C. Аркатов, Ю.В. Аркатов, СВ. Казеев, Ю.В. Ободовский. - М.: «ООО Миссия-М», 2006. - 496 с.

2. Дмитренко И.Е. Влияние тягового тока на работу рельсовых цепей / И.Е. Дмитренко, В.М. Алексеев // Автоматика, телемеханика и связь. - 1986. - №10. С.10-12.

3. Патент на полезную модель RU 116111. Дроссель-трансформатор. [Текст] / Офенгейм X. Г., Орлов И.Г. - №2012100056/11; заяв. 10.01.2012.

4. Патент на изобретение RU 2616221. Сдвоенный дроссель-трансформатор. [Текст] / Лунев С.А. и др. - №2015148903; заяв. 13.11.2015.

5. Патент на полезную модель RU 131898. Рельсовый дроссель-трансформатор с размагничивающей обмоткой. [Текст] / Шевцова Е.Ю. - №2013111439/07; заяв. 14.03.2013.

6. Патент на полезную модель RU 137247. Компенсирующий рельсовый дроссель-трансформатор. [Текст] / Абусеридзе З.В. - №2013133069/11; заяв. 17.07.2013.

Путевой дроссель-трансформатор с компенсирующим устройством магнитного потока сердечника содержит дифференциальный трансформатор с тороидальным сердечником, одновитковыми и компенсационной обмотками. Технический результат - повышение защиты аппаратуры рельсовых цепей от негативного воздействия асимметрии обратного тягового тока. 2 ил.

Путевой дроссель-трансформатор с компенсирующим устройством магнитного потока сердечника, отличающийся тем, что содержит дифференциальный трансформатор с тороидальным сердечником и одновитковыми обмотками и компенсационную обмотку, намотанную на средней части сердечника дроссель-трансформатора, позволяющие компенсировать магнитный поток от составляющих тягового тока в рельсовых линиях при наличии асимметрии.