Трансформатор для тональных рельсовых цепей

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к трансформаторостроению, а именно к путевым трансформаторам для тональных рельсовых цепей, и может быть использована на участках железнодорожных линий, оборудованных автоматической блокировкой и электрической (микропроцессорной) централизацией, с любым видом тяги поездов, в том числе и высокоскоростных и оборудованных рельсовыми цепями тональной частоты.
Известен путевой трансформатор типа ПОБС-2Г путевой однофазный с броневым сердечником сухой, с естественным воздушным охлаждением, предназначенный для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц, герметизированное исполнение, ТУ 32ЦШ2035-2004, содержащий магнитопровод, первичную обмотку с двумя одинаковыми секциями и две вторичные обмотки с семью выводами. При включении в сеть переменного тока 110 В секции первичной обмотки соединяют параллельно, при включении на напряжение 220 В - последовательно. Комбинируя включение вторичных обмоток, от трансформатора можно получить 43 различных напряжения от 0,4 до 17,6 В. Обмотки залиты герметиком и имеют усиленную изоляцию. Тип изоляции - твердый диэлектрик. В средней части трансформатора внешними стенками является магнитопровод, а в нижней и верхней - специальные защитные кожуха, предохраняющие обмотку трансформатора от механических повреждений. Наверху трансформатора расположена контактная панель, которая крепится к стяжным болтам магнитопровода. Магнитопровод шихтованный, собран из Ш-образных замыкающих пластин из электротехнической стали. Пакеты пластин стянуты винтами. Обмотки слоевые выполнены из обмоточного медного провода круглого сечения. Выводные концы обмоток присоединены к контактным болтам на пластмассовых панелях. К этим же болтам присоединяются питающая сеть и вторичные цепи (см. Интернет-сайт, режим доступа: http://transzhat-postavka.ru/catalog/21-transformatory-reaktory/2725-transformator-pobs-2g-110220v-tu32csh2035-2004).
Недостатком известной конструкции является ее недостаточная надежность. В указанной конструкции диэлектриком залиты только обмотки. Однако, в период паводков или обильных осадков эксплуатируемый трансформатор известной конструкции с недостаточно изолированными токосъемными контактами может оказаться в зоне скопления большого количества влаги, поэтому дальнейшая эксплуатация его будет невозможна в силу нахождения открытых электрических соединений в воде. Кроме того, известная конструкция рассчитана на работу трансформатора на недостаточно высоких частотах, что приводит к увеличению потерь и снижению уровня выходного сигнала, связанного с появлением тока подмагничивания (обратного тягового тока).
Известен также путевой дроссель-трансформатор с компенсирующим устройством магнитного потока сердечника, содержащий 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 (см. патент РФ на изобретение № 2731298, МПК B 61L 23/16, опубл. 01.09.2020 г.).
Известная конструкция используется для устранения асимметрии в тяговых токах, например, на железнодорожном транспорте. Вместе с тем, указанная конструкция обладает повышенной сложностью и не может быть использована для генерации (возбуждения) токового сигнала и его подачи на рельсовую цепь, например, для работы систем автоблокировки, и.т.д. Кроме того, у известной конструкции отсутствуют конструктивные элементы для ее использования в сложных погодных и рельефных условиях, например, при паводках, во время которых возможно скапливание большого объема воды в непосредственной близости от железнодорожных путей и, соответственно, попадание шкафов с железнодорожным оборудованием, в частности, трансформаторами, в зону накопления воды.
Известен тороидальный трансформатор, содержащий кольцевой сердечник, первичную и вторичную обмотки, при этом в него дополнительно введены три медные шины в виде разомкнутого кольца, причем первая и вторая расположены на одной поверхности кольцевого сердечника, а третья выполнена с отверстием внутри и размещена на другой его стороне, при этом первичная обмотка выполнена в виде секций, начало каждой секции присоединяется к первой шине, конец секции - ко второй шине, а витки секции, охватывающие сердечник, уложены через слой изоляции на три шины (см. патент РФ на изобретение № 2364973, МПК H01F 30/16, H01F 27/22, опубл. 20.08.2009 г.)
Недостатком известной конструкции является сложность конструкции сердечника из-за значительного количества конструктивных элементов, что приводит к ее недостаточной надежности, отсутствие защитных конструктивных элементов для обеспечения возможности эксплуатации трансформатора в зоне скопления воды, а также возможность ослабления выходного сигнала в силу намагничивания сердечника обратными тяговыми токами.
Наиболее близким по технической сущности к предложенной полезной модели является пожаробезопасный трансформатор питания рельсовых цепей в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики, содержащий ферромагнитный сердечник из изолированных друг от друга тонких пластин с размещенными на нем первичной и вторичными обмотками, выводы которых соединены с клеммами переходной колодки для подключения внешних цепей, последовательно включенный с первичной обмоткой термовыключатель, размещенный на внешней поверхности обмоток, при этом первичная и вторичная обмотки расположены в двух раздельных секциях, которые изолированы от воздействия влажности внешней среды, сердечник состоит из четырех П-образных секций, выполненных из ленточного материала, стянутого обручем, а термовыключатель расположен непосредственно на внешней стороне первичной обмотки (см. патент РФ на полезную модель № 38315, МПК B60M 3/02, H01F 27/28, B60R 27/00, опубл. 10.06.2004 г.).
Недостатком известного трансформатора является применение конструкции сердечника, повышающей подмагничивание сердечника обратными тяговыми токами и не обеспечивающей надежной работы трансформатора в тональных рельсовых цепях. Кроме этого, в известной конструкции изоляцию заливают только на катушку, оставляя токоприемные выводы неизолированными. Поэтому, например, в период паводка и/или активного снеготаяния трансформатор может быть полностью погружен в воду, при этом неизолированные токоведущие выводы тоже будут в воде, что недопустимо и приводит к отказу трансформатора.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание трансформатора, характеризующегося повышенной эксплуатационной надежностью.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является исключение подмагничивания сердечника обратными тяговыми токами при его включении в тональную рельсовую цепь и вынос контактного соединения трансформатора с элементами внешней цепи за пределы корпуса трансформатора
Указанный технический результат достигается тем, что в трансформаторе для тональных рельсовых цепей, содержащим корпус, в котором расположен ферромагнитный сердечник с размещенными на нем первичной и вторичной обмотками,согласно полезной модели, сердечник выполнен в виде двух электрически изолированных друг от друга одинаковых частей, каждая из которых выполнена из ленточной кольцевой стали, с постоянным зазором между ними, который обеспечивается диэлектрическим материалом, при этом первичная обмотка расположена сверху на вторичной обмотке и электрически изолирована от нее герметиком, трансформатор снабжен монтажными проводами, каждый из которых одним концом подключен к обмоткам трансформатора через кабельный ввод на корпусе, причем внутренняя часть корпуса полностью залита герметиком.
Целесообразно, чтобы части сердечника были выполнены в форме полуокружности.
Целесообразно, чтобы в качестве диэлектрика был использован картон электроизоляционный марки ЭВ толщиной 0,3 мм по ГОСТ 2824-86.
Предпочтительно, чтобы в качестве герметика был использован эпоксидный компаунд марки К-153.
Применение сердечника, состоящего из двух одинаковых электрически изолированных друг от друга частей, позволяет резко снизить подмагничивание сердечника обратными тяговыми токами и обеспечить надежную работу трансформатора в тональных рельсовых цепях. Наличие зазора между конструктивными элементами сердечника, постоянного в течение всего времени эксплуатации и зафиксированного с заданной величиной, с размещенным в этом зазоре диэлектриком, позволяет исключить намагничивание обратным тяговым током, который протекает по рельсам при движении состава. Протекающий обратный ток тем выше, чем больше мощность, потребляемая локомотивом (зависит от рельефа полотна, количество вагонов в составе и т.д.). Постоянная составляющая такого обратного тока намагничивает сердечник трансформатора, тем самым препятствуя индуцированию во вторичной обмотке трансформатора переменного сигнала тональной рельсовый цепи. По сути, на трансформатор (на его вторичную обмотку) одновременно со штатной нагрузкой от генератора начинает поступать этот самый обратный ток, внося искажения в работу трансформатора. Подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током приводит к уменьшению его индуктивного сопротивления и, следовательно, к снижению коэффициента передачи рельсовой цепи, т.е. снижению уровня (мощности) выходного сигнала на рельсовую цепь. Результатом этого является понижение напряжения на путевом реле свободной рельсовой цепи и ее ложная занятость. Ложная занятость - ложное срабатывание системы автоблокировки и появление красного сигнала светофора, например, перед электровозом, при фактическом пустом участке. Отсюда, сбои в графиках движений поездов и т.п.
Диэлектрик, вставленный в зазор между двумя частями сердечника, позволяет электрически изолировать части сердечника друг от друга, и установить необходимый размер (ширину) зазора, который не меняется в процессе эксплуатации. Это необходимо, поскольку в процессе производства сердечника при намотке без диэлектрика части сердечника могут сместиться друг относительно друга, что, тем самым, нарушит точность заданных выходных характеристик трансформатора.
Для этой цели целесообразно при изготовлении сначала намотать на него вторичную обмотку, а затем, предварительно залив ее герметиком, намотать на вторичную обмотку - первичную обмотку, электрически изолированную от вторичной. Это обусловлено тем, что проволока вторичной обмотки, как правило, значительно толще проволоки первичной обмотки, а количество витков ее, соответственно, значительно меньше. Толстая проволока вторичной обмотки будет надежнее защищать части сердечника от взаимного смещения, придав конструкции сердечника в процессе производства необходимую жесткость, что позволит более точно соблюсти необходимые конструктивные параметры, например, выдержать геометрические размеры зазора, и соответственно, даст возможность получить необходимые выходные электрические характеристики трансформатора.
Кроме того, за счет наличия зазора и применения ленточного кольцевого материала в сердечнике из ленточной кольцевой стали, возможна работа трансформатора на значительно более высоких частотах (до 5 кГц), что приводит к уменьшению потерь и исключению снижения уровня выходного сигнала, связанного с током подмагничивания (обратного тягового тока).
При предложенной конструкции сердечника допустимо использование более мощного магнитопровода и использование проводов обмотки большего сечения, что делает трансформатор более устойчивым к попаданию из рельсовой цепи кратковременных импульсов перенапряжения и приводит к возрастанию сопротивляемости резким кратковременным импульсам перенапряжения при разряде молнии или падении контактного провода.
Внутреннее пространство трансформатора полностью залито герметиком, наружу выведены только монтажные провода необходимой длины, каждый из которых через герметично изолированный кабельный ввод на корпусе трансформатора подключен к обмоткам сердечника. Таким образом, фактически токовыводы трансформатора, т.е. место подключения монтажных проводов к токонесущим элементам трансформатора, залиты герметиком и полностью изолированы от воздействия факторов внешней среды. За счет этого в период паводка и/или активного снеготаяния, когда трансформатор может быть полностью погружен в воду, токовыводы надежно изолированы, а контактные соединения свободных концов монтажных проводов будут расположены выше уровня воды. Таким образом, полная заливка трансформатора герметиком позволяет достичь его полной герметизации (сохраняет работоспособность под водой), что является важным фактором, например, в районах Дальнего Востока и Северного Кавказа.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 показан путевой трансформатор для тональных рельсовых цепей, вид сверху; на фиг. 2 - трансформатор на фиг. 1, поперечный разрез, вид сбоку; на фиг. 3 - сердечник, вид сверху, на фиг. 4 - сердечник, продольный разрез.
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - корпус; 2 - сердечник; 3 - первичная обмотка; 4 - вторичная обмотка; 5 - зазор между частями сердечника 2; 6 - герметик; 7 - монтажные провода; 8 - кабельный ввод.
Путевой трансформатор для тональных рельсовых цепей содержит корпус 1, в котором размещен ферромагнитный сердечник 2 с размещенными на нем первичной 3 и вторичной 4 обмотками. Сердечник 2 выполнен в виде двух электрически изолированных друг от друга одинаковых частей, каждая из которых выполнена из ленточной кольцевой стали, с постоянным зазором 5 между ними, который обеспечивается диэлектрическим материалом. При этом первичная 3 обмотка расположена сверху на вторичной 4 обмотке и электрически изолирована от нее герметиком 6. Трансформатор снабжен монтажными проводами 7, каждый из которых одним концом подключен к обмоткам трансформатора через кабельный ввод 8 на корпусе 1, причем внутренняя часть корпуса 1 полностью залита герметиком 6.
Части сердечника 2 могут быть выполнены в форме полуокружности, либо сердечник может быть тороидальным.
В качестве диэлектрика может быть использован картон электроизоляционный марки ЭВ 30,6×51,3 толщиной 0,3 мм по ГОСТ 2824-86, предназначенный для работы в воздушной среде при температуре до 90°С и используемый для электроизоляции, обладая высокой изноустойчивостью.
В качестве герметика 6 может быть использован эпоксидный компаунд марки К-153, представляющий собой двухкомпонентный легкотекучий материал от от светло-коричневого до темно-коричневого цвета на основе жидкого тиокола и эпоксидных смол. Компаунд К-153 предназначен для создания газо- и гидроизоляционных, антикоррозийных, химически стойких покрытий железобетонных изделий, металлоконструкций и пр., эксплуатируемых на воздухе, под землей, в воде, в морской воде, в топливе, в масле, в нефти, в растворителях, в слабокислых и слабощелочных средах, в условиях повышенного ультрафиолетового облучения при температуре от -60 до 60°С кратковременно до 100°С (1 час). Компаунд К-153 может быть использован для долговечной защиты резервуаров и емкостей различного типа (в том числе подземных), предназначенных для хранения нефти, топлива, масел, растворов солей, щелочей, кислот, химических реактивов, для различного рода отстойников как промышленных, так и бытовых сточных вод.
Перед намоткой вторичной 4 обмотки необходимо изолировать сердечник 2 лакотканью, например, марки ЛКМ-105-012. За базу лакоткани марки ЛКМ взята капроновая ткань, имеющая масляную пропитку. Материал очень эластичен, обладает отличными изоляционными свойствами. Диэлектрик ЛКМ отличается высокой стойкостью к маслам, поэтому она часто используется в трансформаторах. Лакоткань ЛКМ-105 в течение длительного времени выдерживает температуру +105°C (класс нагревостойкости).
Первичная 3 обмотка состоит из 988 витков. Вторичная 4 обмотка состоит из 26 витков. Концы выводов первичной 3 обмотки необходимо сварить с монтажными проводами 7 и изолировать термоусадочной трубкой. Концы выводов вторичной 4 обмотки необходимо опрессовать гильзой с монтажными проводами 7 и изолировать термоусадочной трубкой.
Путевой трансформатор работает следующим образом.
Трансформатор предназначен для работы в рельсовых цепях тональной частоты в качестве согласующего устройства между кабельной линией и рельсовыми нитями. Трансформатор можно применять везде, где применяются путевые трансформаторы ПОБС-2Г (ПОБС-2АГВ) с коэффициентом трансформации n=38 или два трансформатора ПОБС-2Г (ПОБС-2АГВ) с коэффициентом трансформации n=19, первичные обмотки которых включены последовательно, а вторичные - параллельно.
Наиболее перспективным является применение на участках с автоблокировкой в точках, где нет установленных дроссель-трансформаторов, т.е. практически везде.
В системах с тональными рельсовыми цепями подключение к рельсовой линии осуществляется через дроссель-трансформаторы или путевые трансформаторы типа ПОБС-2.
При движении состава по рельсам по ним протекает обратный тяговый ток от локомотива наряду с сигнальными токами тональных рельсовых цепей. Протекающий обратный ток тем выше, чем больше мощность, потребляемая локомотивом (зависит от рельефа полотна, количество вагонов в составе и т.д.). Таким образом, в рельсовых цепях, при электрической тяге, всегда присутствует обратный ток асимметрии, вызывающий подмагничивание сердечника 2 трансформатора. Сам же тяговый ток не является постоянной величиной. В результате происходит модуляция сигнального тока тяговым, что приводит к увеличению количества сбоев автоблокировки. Постоянная составляющая обратного тока намагничивает сердечник 2 трансформатора, тем самым препятствуя индуцирование во вторичной 4 обмотке трансформатора переменного сигнала тональной рельсовый цепи.
Подмагничивание сердечника 2 трансформатора постоянным током приводит к уменьшению его индуктивного сопротивления и, следовательно, к снижению коэффициента передачи рельсовой цепи. Результатом этого является понижение напряжения на путевом реле свободной рельсовой цепи и ее ложная занятость. Наиболее характерным проявлением такой ситуации является перекрытие сигнала перед трогающимся с места электровозом или электропоездом, когда пусковой тяговый ток достигает большого значения в непосредственной близости от асимметричной рельсовой цепи.
-7
В ООО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАВОД «ГЭКСАР» (г. Саратов) разработана техническая документация, в которой реализована настоящая полезная модель, в соответствии с которой изготовлен и испытан путевой трансформатор ПТРЦ-38, предназначенный для эксплуатации на железнодорожном транспорте в составе схем питающих и релейных концов тональных рельсовых цепей с коэффициентом трансформации 38. Результаты испытаний трансформатора ПТРЦ-38 подтвердили его полную герметичность, низкую насыщаемость сердечника, высокую механическую прочность, исключающую возникновение механических напряжений в изоляционных слоях, а следовательно, и разрушение трансформатора при воздействии положительных значений температур до 65°C, отрицательных до минус 60°C и перепадах температур, что обеспечит надежную работу трансформатора в экстремальных условиях холодного климата. Номинальное напряжение первичной обмотки 220 В, номинальный ток первичной обмотки не более 0,75 А в режиме холостого хода. Расчетная мощность не менее 300 ВА. Напряжение на вторичной обмотке не менее 5,2 В при подключении нагрузки 0,19 Ом и напряжении на первичной обмотке 220 В. Электрическая прочность изоляции выдерживает испытательное напряжение частотой 50 Гц: в нормальных климатических условиях 4000 В; при воздействии верхнего значения относительной влажности (100% при температур 25°С) - 3400 В; при воздействии верхнего значения предельной рабочей температуры (+65°С) - 3400 В. Трансформатор соответствует следующим показателям надежности: интенсивность отказов - не более 5*10 1/ч: полный установленный срок службы - не менее 30 лет: гарантийный срок эксплуатации - 60 месяцев. Трансформатор предназначен для работы в диапазоне частот от 25 до 1000 Гц.
Использование в предлагаемом путевом трансформаторе полной герметичности обеспечивает увеличение его срока службы, повышение эксплуатационной надежности.
Повышенная нагрузочная способность трансформатора ПТРЦ-38 по сравнению с ПОБС-2, делает его более устойчивым к попаданию из рельсовой цепи кратковременных импульсов перенапряжения (разряды молнии, падение контактного провода).