УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к системам тягового электроснабжения постоянного тока, и может быть использована при разработке схемы питания контактной сети электрических железных дорог постоянного тока, а также железных дорог промышленного и карьерного транспорта.
Аналогом полезной модели является существующее устройство питания контактной сети постоянного тока, состоящее из тяговой подстанции и контактной сети, разделенной изолирующим сопряжением на электрически изолированные друг от друга секции, каждая из которых питается от тяговой подстанции через свой фидер, содержащий последовательно соединенные быстродействующий выключатель, воздушную или кабельную линию и линейный разъединитель контактной сети, а также продольный разъединитель контактной сети, присоединенный к секциям сети параллельно изолирующему сопряжению [1, стр.20-21], причем с целью исключения пережогов проводов контактной сети изолирующего сопряжения электрической дугой, возникающей между токоприемником и сходящей ветвью сопряжения, контактные провода ветвей изолирующего сопряжения указанного устройства оборудованы специальными стальными накладками и изолирующими трубками [2, стр.264-268].
Наиболее близким аналогом к полезной модели является устройство, описанное в [2]. Оно и взято за прототип.
Однако применительно к условиям тяжеловесного и скоростного движения устройство неприемлемо по той причине, что в этом случае реализуются наибольшие различия в электрических нагрузках секций контактной сети, вследствие чего при проходе токоприемника по изолирующему сопряжению образуется очень мощная электрическая дуга, от которой стальные накладки стопроцентную защиту контактных проводов от пережогов не обеспечивают, как не обеспечивают и защиту от перебросов дуги на заземленные конструкции т.е. от коротких замыканий в зоне изолирующего сопряжения. К тому же по эластичности контактной сети узел изолирующего сопряжения существующего устройства эквивалентен жесткой точке, приводящей к поломкам токоприемников при высоких скоростях движения.
Предлагаемое же устройство питания контактной сети электрических железных дорог постоянного тока не имеет стальных накладок и изолирующих трубок на проводах контактной сети изолирующего сопряжения, но включает в себя аппаратуру шунтирования изолирующего сопряжения специальным коммутационным аппаратом (выключателем), автоматически включаемым на время прохода по сопряжению токоприемника электроподвижного состава. Предлагаемое устройство питания, как и существующее, позволяет существенно ограничить зону контактной сети, выводимую из работы
при ремонтно-профилактических работах и при коротких замыканиях в контактной сети, но дополнительно глобально решает проблему токосъема при скоростном и тяжеловесном движении, поскольку не уменьшает естественной эластичности контактной сети, а следовательно не приводит к поломкам токоприемников и обрывам проводов контактной сети изолирующего промежутка, стопроцентно исключает появление дуги между сходящей ветвью изолирующего промежутка и токоприемником, а значит исключает дуговые пережоги проводов и появление коротких замыканий в зоне изолирующего промежутка.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности работы системы электроснабжения электрической железной дороги постоянного тока. Технический результат может осуществляться в двух вариантах.
В первом варианте он осуществляется за счет того, что устройство питания контактной сети электрической железной дороги постоянного тока, состоящее из тяговой подстанции и контактной сети, разделенной изолирующим сопряжением на электрически изолированные друг от друга секции контактной сети, каждая из которых питается от тяговой подстанции через свой фидер, содержащий последовательно соединенные быстродействующий выключатель постоянное тока, воздушную или кабельную линию и линейный разъединитель контактной сети, а также продольный разъединитель контактной сети, присоединенный к секциям сети параллельно изолирующему сопряжению, дополняется устройством шунтирования изолирующего сопряжения, которое содержит коммутационный аппарат (выключатель) ненаправленного действия с блоками включения и отключения, который через двухполюсный разъединитель присоединен к секциям контактной сети параллельно изолирующему сопряжению, датчиками, фиксирующими наличие электроподвижного состава на участках контактной сети между точками присоединения фидеров к секциям контактной сети и изолирующим сопряжением (в зоне изолирующего сопряжения), выходы которых соединены с входом блока включения коммутационного аппарата, а также с входом реле времени, выход которого соединен с входом блока отключения коммутационного аппарата, датчиками тока, включенными в контактную сеть вне зоны изолирующего сопряжения вблизи точек присоединения фидеров к контактной сети, выходы которых также подключены к входу блока отключения коммутационного аппарата и, кроме того, выход каждого датчика тока непосредственно или через любой доступный канал связи подключен к выходному узлу устройства защиты выключателя фидера, расположенного ближе к датчику.
Во втором варианте технический результат осуществляется за счет того, что устройство питания контактной сети электрической железной дороги постоянного тока, состоящее из тяговой подстанции и контактной сети, разделенной изолирующим сопряжением на электрически изолированные друг от друга секции контактной сети, каждая из которых питается от тяговой
подстанции через свой фидер, содержащий последовательно соединенные быстродействующий выключатель постоянного тока, воздушную или кабельную линию и линейный разъединитель контактной сети, а также продольный разъединитель контактной сети, присоединенный к секциям сети параллельно изолирующему сопряжению, дополняется устройством шунтирования изолирующего сопряжения, которое содержит коммутационный аппарат (выключатель) ненаправленного действия с блоками включения и отключения, который через двухполюсный разъединитель присоединен к секциям контактной сети параллельно изолирующему сопряжению, датчики скорости нарастания тока, размещаемые на фидерах контактной сети вблизи точек присоединения фидеров к секциям контактной сети, выходы которых подсоединены ко входам схемы совпадения, реагирующей на равные по величине, но разные по знаку напряжения на выходах датчиков скорости нарастания тока, выходы которой соединены с входом блока включения коммутационного аппарата, а также с входом реле времени, выход которого соединен с входом блока отключения коммутационного аппарата, а также с входом реле времени, выход которого соединен с входом блока отключения коммутационного аппарата, датчиками тока, включенными в контактную сеть вне зоны изолирующего сопряжения вблизи точек присоединения фидеров к контактной сети, выходы которых также подключены к входу блока отключения коммутационного аппарата и, кроме того, выход каждого датчика тока непосредственно или через любой доступный канал связи подключен к выходному узлу устройства защиты выключателя фидера, расположенного ближе к датчику.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, приведенными на фиг.1 и фиг.2. Для упрощения на всех фигурах показаны устройства питания одного пути m - путного участка.
На фиг.1 показан первый вариант устройства. Оно состоит из:
1
3
1 - тяговая подстанция; 2 - быстродействующие выключатели фидеров контактной сети; 3 - 1-ый и 3-ий фидеры контактной сети (соответственно Ф1 и Ф3); 4 - линейные разъединители контактной сети; 5 - правая секция контактной сети; 6 - продольный разъединитель контактной сети; 7 - изолирующее сопряжение; 8 - левая секция контактной сети; i и i - токи фидеров соответственно Ф1 и Ф3; 9 - реле времени; 10 - коммутационный аппарат (выключатель) ненаправленного действия; 11 и 12 - соответственно блоки включения и отключения выключателя 10; 13 - разъединитель; 14 - датчики тока; 15 - датчики приближения поезда
На фиг.2 показан второй вариант устройства. Оно состоит из:
1
3
1 - тяговая подстанция; 2 - быстродействующие выключатели фидеров контактной сети; 3 - 1-ый и 3-ий фидеры контактной сети (соответственно Ф1 и Ф3); 4 - линейные разъединители контактной сети; 5 - правая секция контактной сети; 6 - продольный разъединитель контактной сети; 7 - изолирующее сопряжение; 8 - левая секция контактной сети; i и i - токи фидеров соответственно Ф1 и Ф3; 9 - реле времени; 10 - коммутационный
аппарат (выключатель) ненаправленного действия; 11 и 12 - соответственно блоки включения и отключения выключателя 10; 13 - разъединитель; 14 - датчики тока; 16 - схема совпадения; 17 - датчик скорости нарастания тока.
Первый вариант предлагаемого устройства питания контактной сети электрических железных дорог постоянного тока, принципиальная схема которого приведена на фиг.1, предназначен для использования при коммутационных аппаратах (выключтелях) ненаправленного действия, включающихся относительно медленно (доли секунды) и работает следующим образом.
Нормальное рабочее положение элементов устройства: выключатели фидеров 2 и разъединители контактной сети 4 включены, продольный разъединитель контактной сети 6 и коммутационный аппарат 10 отключены, на все блоки, реле и датчики подано напряжение питания.
При появлении поезда в зоне изолирующего сопряжения с любой стороны от него срабатывает соответствующий датчик приближения поезда 15 и подает команду на блок включения выключателя 11, вследствие чего выключатель 10 включается и шунтирует изолирующее сопряжение 7 еще до момента замыкания его ветвей токоприемником электроподвижного состава. Одновременно с этим сигналом с датчика 15 включается реле времени 9, выержка времени которого выбирается несколько большей, нежели время замыкания изолирующего сопряжения токоприемниками наиболее длинного электроподвижного состава. В результате на все время шунтирования изолирующего сопряжения через выключатель 10 происходит подпитка нагрузки более загруженной секции контактной сети (5 или 8) по фидеру со стороны менее загруженной секции т.е. происходит выравнивание токов по фидерам и потенциалов ветвей изолирующего сопряжения. Вследствие этого в момент расставания токоприемников электроподвижного состава со сходящей ветвью изолирующего сопряжения электрической дуги между этой ветвью и токоприемником не возникает.
По окончанию выдержки времени реле времени 9 подает команду на блок отключения 12 выключателя 10, вследствие чего последний, отключаясь, разрывает цепь выравнивающего тока по фидеру со стороны менее загруженной зоны. В результате этого все элементы предлагаемого устройства питания контактной сети электрической железной дороги постоянного тока возвращаются к нормальному рабочему положению и оно вновь готово к шунтированию изолирующего сопряжения при появлении в его зоне нового электроподвижного состава.
В момент проходе токоприемника по изолирующему сопряжению существенно большей может быть нагрузка как правой 5, так и левой 8 секции контактной сети. При этом соответственно меняется и направление выравнивающего тока, отключаемого коммутационным аппаратом 10. Это обстоятельство поясняет, почему шунтирующий изолирующее сопряжение коммутационный аппарат (включатель) обязательно должен быть ненаправленного действия.
Если же в момент шунтирования изолирующего сопряжения на секции контактной сети слева или справа от него происходит короткое замыкание в контактной сети, то элементы устройства работают по одному из следующих сценариев:
а) при коротком замыкании вблизи от тяговой подстанции вследствие значительности тока короткого замыкания достигаются уставки блоков защит выключателей 2 фидеров Ф1 и Ф3, которые начинают отключаться. Однако параллельно с этим срабатывает датчик тока 14 поврежденной секции контактной сети и подает команду на блок отключения 12 выключателя 10, который вследствие этого также начинает отключаться. Одновременно с этим датчик 14 непосредственно, или же по любому доступному каналу связи, подает команду на выходной узел защиты выключателя 2 ближайшего фидера тяговой подстанции 1, дублируя уже состоявшуюся команду на отключение, которую выключатель получил самостоятельно по величине тока короткого замыкания. Тем самым короткое замыкание автоматически локализуется как со стороны фидера Ф1, так и со стороны фидера Ф3, вследствие чего исключается сколь либо длительное появление дуги между токоприемником и сходящей ветвью фидера изолирующего сопряжения даже в случае, если момент отключения выключателя 10 совпал с моментом расставания токоприемника со сходящей ветвью изолирующего сопряжения 7.
б) при коротком замыкании вдали от подстанции вследствие ограниченности тока короткого замыкания не достигаются уставки защит выключателей 2 фидеров Ф1 и Ф3 тяговой подстанции 1. Однако на короткое замыкание реагирует датчик тока 14 поврежденной секции контактной сети и подает команду на блок отключения 12 выключателя 10, а также непосредственно или же по любому доступному каналу связи на выходной узел защиты выключателя 2 ближайшего фидера тяговой подстанции. При этом в случае, если отключение выключателя 2 происходит быстрее, нежели выключателя 10, возможно каскадное отключение и выключателя 2 неповрежденной секции контактной сети. В любом случае ситуация исправляется автоматическим повторным включением выключателя неповрежденного фидера.
в) после отключения выключателя 2 фидера какой-либо секции контактной сети в ней фиксируется устойчивое короткое замыкание, напряжение в контактную сеть секции не подается, но со стороны неповрежденной секции к изолирующему сопряжению приближается электроподвижной состав. В этом случае согласно нормальному алгоритму работы устройства по команде с датчика приближения поезда 15 включится выключатель устройства шунтирования 10, вследствие чего собирается цепь короткого замыкания через выключатель 2 фидера, питающего контактную сеть стороны неповрежденной секции контактной сети, который тотчас же отключается. Для селективности работы схемы время первого автоматического повторного включения выключателей 2 фидеров тяговой подстанции 1 должно быть выбрано большим, чем время шунтирования изолирующего сопряжения выключателем 10.
Второй вариант предлагаемого устройства питания контактной сети электрических железных дорог постоянного тока, принципиальная схема которого приведена на фиг.3, предназначен для использования при коммутационных аппаратах ненаправленного действия включающихся очень быстро (в течение сотых - тысячных долей секунды) и работает следующим образом.
Нормальное рабочее положение элементов устройства: выключатели фидеров 2 и разъединители контактной сети 4 включены, продольный разъединитель контактной сети 6 и коммутационный аппарат 10 отключены, на все блоки, реле и датчики подано напряжение питания.
При появлении поезда в зоне изолирующего сопряжения с любой стороны от него в момент замыкания токоприемником электроподвижного состава сразу двух ветвей изолирующего сопряжения вследствие перераспределения разницы токов нагрузок секций контактной сети по фидерам Ф1 и Ф3 (см. например рис.1, б) на выходах датчиков скорости нарастания тока 17 появляются равные, но обратные по знаку напряжения, которые подаются на вход схемы совпадения 16. Схема совпадения срабатывает и подает команду на блок включения 11 коммутационного аппарата 10, который тотчас включается и шунтирует изолирующее сопряжение 7. Одновременно с этим сигналом со схемы совпадения 16 включается реле времени 9, выдержка времени которого выбирается несколько большей, нежели время замыкания изолирующего сопряжения токоприемниками наиболее длинного электроподвижного состава. В результате на все время шунтирования изолирующего сопряжения через выключатель 10 происходит подпитка нагрузки более загруженной секции контактной сети (5 или 8) по фидеру со стороны менее загруженной секции, т.е. происходит выравнивание токов по фидерам и потенциалов ветвей изолирующего сопряжения. Вследствие этого в момент расставания токоприемников электроподвижного состава со сходящей ветвью изолирующего сопряжения электрической дуги между этой ветвью и токоприемником не возникает.
По окончанию выдержки времени реле времени 9 подает команду на блок отключения 12 выключателя 10, вследствие чего последний, отключаясь, разрывает цепь выравнивающего тока по фидеру со стороны менее загруженной зоны. В результате этого все элементы предлагаемого устройства питания контактной сети электрической железной дороги постоянного тока возвращаются к нормальному рабочему положению и оно вновь готово к шунтированию изолирующего сопряжения при появлении в его зоне нового электроподвижного состава.
В момент проходе токоприемника по изолирующему сопряжению существенно большей может быть нагрузка как правой 5, так и левой 8 секции контактной сети. При этом соответственно меняется и направление выравнивающего тока, отключаемого коммутационным аппаратом 10. Это обстоятельство поясняет, почему шунтирующий изолирующее сопряжение коммутационный
аппарат (выключатель) обязательно должен быть ненаправленного действия.
Если же в момент шунтирования изолирующего сопряжения на секции контактной сети слева или справа от него происходит короткое замыкание в контактной сети, то элементы устройства фиг.2 работают по тем же сценариям, что и элементы устройства по фиг.1, описанным выше.
Источники информации:
1. Марквардт К.Г. Энергоснабжение электрических железных дорог. М.: «Транспорт», 1982, стр.20-21.
2. ОАО «РЖД». Устройство и эксплуатация контактной сети и воздушных линий. М. «Трансиздат», 2004, стр.264-268.