ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
HIGH VOLTAGE DEVICE FOR RAIL VEHICLE

Изобретение относится к высоковольтному устройству для транспортного средства, которое по меньшей мере в режиме движения получает электрическую энергию от подготавливающего высокое напряжение сетевого источника электропитания, с по меньшей мере одним компонентом высокого напряжения, который с помощью главного блока коммутации мощности может быть электрически соединен с сетевым источником электропитания, и заземляющим коммутационным устройством, которое содержит по меньшей мере одно коммутационное средство.
Известны транспортные средства, в частности рельсовые транспортные средства, которые в режиме движения забирают электрическую энергию из сетевого источника электропитания. При этом сетевой источник электропитания содержит электрическую линию, например, в виде воздушного контактного провода или расположенного в области грунта контактного рельса, в контакте с которыми во время эксплуатации транспортного средства находится токоприемник. Подводимое от сетевого источника питания напряжение является высоким напряжением и обычно лежит в диапазоне от 500 кВ до 30 кВ. Известным образом после токоприемника включен главный блок коммутации мощности, который включен перед электрической установкой транспортного средства и выполнен с возможностью ее отключения от сетевого источника питания, в частности, также под нагрузкой.
Работы на высоковольтном устройстве транспортного средства требуют строгого соблюдения мер предосторожности. В частности, предписано, что источники энергии, в частности, линия электропитания, а также компоненты транспортного средства, которые потенциально могут вырабатывать высокое напряжение также в состоянии отключения транспортного средства от сетевого источника электропитания, должны быть заземлены при проведении таких работ. Обычно предусматривают заземляющее коммутационное устройство транспортного средства, которое соединено с главным блоком коммутации мощности и служит для электрического соединения входа и выхода главного блока коммутации мощности, то есть, электрических соединений последнего с токоприемником, с одной стороны, и с включенной за ним электрической установкой транспортного средства, с другой стороны, с опорным потенциалом, в частности, потенциалом «земли» транспортного средства. Такого рода заземляющее коммутационное устройство обычно изолируют от окружающей среды с помощью воздушного зазора и/или пути утечки, в результате чего следует считаться с большим пространством для встраивания для этого изолирования. Кроме того, известные заземляющие коммутационные устройства со смазанными коммутационными элементами требуют регулярных высоких расходов на техническое обслуживание.
При проведении работ на главном блоке коммутации мощности и/или самом заземляющем коммутационном устройстве – в частности, при названных выше регулярных работах технического обслуживания, например, в целях смазки – риск несчастного случае более высок, поскольку функция заземления заземляющего коммутационного устройства при данных обстоятельствах не может быть более реализована. Обычно производят отключение клемм главного блока коммутации мощности или заземляющего коммутационного устройства. Также при заземленной электрической линии сетевого источника эле6ктропитания, например, при заземленном контактном проводе ограниченная или отсутствующая функциональность заземляющего коммутационного устройства несет в себе опасность удара электрическим током вследствие высокого напряжения, ошибочно выработанного внутренним источником энергии.
Задачей изобретения является повышение несложным в конструктивном отношении образом безопасности персонала при приведении работ на высоковольтном устройстве.
Поставленная задача решена посредством настоящего изобретения, в котором по меньшей мере один компонент высокого напряжения высоковольтного устройства содержит по меньшей мере одну приемную область, в которой расположены коммутационные средства заземляющего коммутационного устройства по меньшей мере в одной позиции заземления, заземляющей по меньшей мере одну активную часть компонента высокого напряжения. За счет этого может быть достигнута повышенная безопасность при работах на высоковольтном устройстве, в частности, если эти работы проводят на главном блоке коммутации мощности. Также при этих работах может быть достигнуто надежное заземление по меньшей мере одной активной части компонента высокого напряжения. Это может быть достигнуто, кроме того, несложным в конструктивном отношении образом за счет встраивания коммутационных средств в компонент высокого напряжения – по меньшей мере, в его позиции заземления. Особенно предпочтительно более компактное исполнение высоковольтного устройства в области главного блока коммутации мощности, поскольку можно отказаться от пространства, необходимого для встраивания заземляющего коммутационного устройства, в частности, необходимого воздушного зазора и/или пути утечки. Типичными величинами классического воздушного зазора и пути утечки являются 230 мм или 600 м. Эта экономия пространства для встраивания может быть использована для исполнения высоковольтного устройства – по меньшей мере, в области главного блока коммутации мощности – в качестве помещенного в оболочку из изолирующего материала устройства.
Под «высоким напряжением» следует понимать, в частности, электрическое напряжение в диапазоне от 500 В до 30 кВ. Высокое напряжение, выработанное сетевым источником электропитания для питания приводимых в действие электричеством транспортных средств может иметь следующие типичные величины. Типичные величины для переменных напряжений лежат в диапазоне напряжений между 10 кВ и 30 кВ. Для рельсовых транспортных средств широко используют напряжения величиной 15 кВ или 25 кВ. Для напряжений постоянного тока типичные величины для сетевого источника электропитания лежат в диапазоне от 500 В до 5 кВ. В частности, широко распространенные величины напряжений для рельсовых транспортных средств составляют 750 В, 1,5 кВ и 3 кВ.
Под «компонентом высокого напряжения» следует понимать компонент, который содержит по меньшей мере одну часть, которая предназначена для подвода высокого напряжения.
Понятие «главный блок коммутации мощности» применительно к электрической установке транспортного средства обозначает, в частности, блок сетевого переключателя, который может устранить или создать электрическое соединение электрической установки с сетевым источником электропитания. Целесообразным образом он выполнен в качестве силового выключателя, который предназначен для разрыва электрического соединения при полной нагрузке электрической установки. В замкнутом состоянии главный блок коммутации мощности проводит подготовленное сетевым источником питания высокое напряжение и по этой причине образует компонент высоковольтного устройства транспортного средства. В случае рельсовых транспортных средств главный блок коммутации мощности называют, в частности, среди специалистов, «главным выключателем».
Компонент высокого напряжения, в котором предусмотрена приемная область для приема коммутационных средств заземляющего коммутационного устройства, по меньшей мере, в позиции заземления, и главный блок коммутации мощности являются в целесообразном случае двумя различными компонентами высокого напряжения высоковольтного устройства транспортного средства. В частности, они расположены на расстоянии друг от друга и/или содержат соответственно различные ограждающие корпуса.
Под «активной» частью компонента высокого напряжения следует понимать, в частности, часть, которая предназначена для передачи энергии, предпочтительно для создания энергетического потока от сетевого источника электропитания к потребителям электричества, в частности к по меньшей мере одному приводному узлу транспортного средства. Для этого активная часть предназначена, в частности, для проведения электрического тока, с помощью которого может быть выработана электрическая мощность для потребителей электричества. В частности, активная часть должна быть отличной от других компонентов компонента высокого напряжения, которые выполняют защитную функцию. В частности, активная часть компонента высокого напряжения отличается от блока корпуса, который по мере необходимости подлежит заземлению в соответствии с предписаниями о защите от прикосновения.
Под «заземлением» следует понимать, в частности, установление электрического соединения выполненной для проведения напряжения активной части с опорным потенциалом. Этот опорный потенциал может соответствовать потенциалу грунта, причем его называют, в частности, потенциалом «земли», при рельсовых транспортных средствах – потенциалу рельса и/или потенциалу определенного устройства, например, кузова вагона, транспортного средства, причем его называют, в частности, «потенциалом массы».
Коммутационное средство может быть включено в электрическое присоединение, с помощью которого активная часть и главный блок коммутации мощности могут быть соединены между собой. При этом оно имеет одну замкнутую позиции, в котором может быть установлено это электрическое соединение, и одну разомкнутую позицию, в которой электрическое соединение разорвано и активная часть соединена с опорным потенциалом. При этом открытая позиция соответствует позиции заземления коммутационного средства. Предпочтительно предлагается, однако, что коммутационное средство в позиции заземления осуществляет заземление по меньшей мере одного электрического соединения между активной частью и главным блоком коммутации мощности. За счет этого предпочтительным образом может быть достигнуто заземление, по меньшей мере, активной части компонента высокого напряжения и главного блока коммутации мощности.
Приемная область предназначена для приема коммутационного средства, по меньшей мере, в позиции заземления, обеспечивающей заземление активной части компонента высокого напряжения. Например, коммутационное средство может располагаться в исходной позиции вне приемной области, причем в процессе заземления оно может быть перемещено, исходя из исходной позиции в приемную область до достижения своей позиции заземления. В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения предлагается, однако, что коммутационное средство может быть помещено в капсулу в приемной области. При этом коммутационное средство расположено в приемной области как в исходной позиции, так и в его позиции заземления. За счет этого может быть достигнуто особо компактное исполнение. В частности, приемная область для приема коммутационного средства может соответствовать области компонента высокого напряжения, в которой расположена активная часть.
Предпочтительно компонент высокого напряжения выполнен в качестве устройства преобразования напряжения, которое служит, исходя от выработанного сетевым источником электропитания высокого напряжения, для выработки напряжения, отличного от него. За счет этого приемная область может быть предусмотрена в существенно расширенном компоненте, который в случае транспортных средств с электроприводом содержит центральную функцию и вследствие его типичных размеров особенно пригоден для встраивания приемной области. При этом компонент высокого напряжения целесообразным образом соответствует главному трансформатору, который включен за главным блоком коммутации мощности и образует источник энергии для потребителей электричества, в частности по меньшей мере одного приводного узла и бортовой сети.
В этой взаимосвязи предложено, что компонент высокого напряжения предусмотрен для индуктивного преобразования напряжения. За счет этого может быть достигнута особо высокая безопасность. Такого рода компонент высокого напряжения в электрической установке транспортного средства имеет функцию источника энергии, который – также при заземленной линии электропитания – может потенциально проводить опасно высокие напряжения. Эта опасность существует, в частности, если переменные напряжения на вторичной стороне приложены ошибочно. Кроме того, при классическом заземляющим коммутационным устройстве, соединенном в соответствии с уровнем техники с главным блоком коммутации мощности, опасность существует в случае, если проводятся работы технического обслуживания на электрическом присоединении между устройством преобразования напряжения, в частности, главным трансформатором, и классическим заземляющим коммутационным устройством (например, работы на высоковольтных штекерах, линиях высокого напряжения, концевых соединениях, токоведущих шинах и т.д.) или при поврежденных компонентах в этом соединении. При этом вследствие обратных питаний через устройство преобразования напряжения возможно, что классическое, хоть и работоспособное заземляющее коммутационное устройство не сможет выполнить свою функцию.
В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения предложено, что компонент высокого напряжения содержит по меньшей мере один охлаждающий и/или изоляционный материал, который предусмотрен для охлаждения или электрической изоляции активной части, причем охлаждающий и/или изоляционный материал служит для электрической изоляции коммутационного средства. За счет этого посредством использования одного материала как для активной части компонента высокого напряжения, так и для коммутационного средства заземляющего коммутационного устройства – по меньшей мере, в его позиции без заземления – достигают дополнительной экономии конструктивного пространства.
В частности, приемная область для коммутационного средства, по меньшей мере, частично заполнена охлаждающим и/или изоляционным материалом. При этом предпочтительно, если приемная область для коммутационного средства соответствует области компонента высокого напряжения, в которой расположены, по меньшей мере, активная часть и предпочтительно другие компоненты.
В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения охлаждающий и/или изоляционный материал выполнен в качестве охлаждающей и/или изоляционной жидкости. Если он выполнен в качестве масла, то оно может дополнительно служить в качестве смазочного средства применительно к процессам срабатывания коммутационного средства. За счет этого может быть достигнуто не нуждающееся в техническом обслуживании заземляющее коммутационное устройство.
В другом варианте выполнения представляется возможным использование для коммутационного средства изоляционного материала, выполненного в качестве твердого материала. При этом изоляционный материал может охватывать приемную область или может образовывать приемную область, в то время, как, например приемная область соответствует выполненной в качестве выемки в изоляционном материале, полой области для коммутационного средства.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - вид сбоку рельсовое транспортное средство с электрической схемой, схематично;
фиг. 2 - компонент высокого напряжения рельсового транспортного средства с заземляющим коммутационным устройством.
Фиг. 1 показывает транспортное средство, выполненное в качестве рельсового транспортного средства 10, и его электрическую схему в схематичном виде сбоку. Рельсовое транспортное средство 10 в виде мотор-вагонного поезда с несколькими вагонами с 12.1 по 12.4. На чертеже изображена лишь половина образующего рельсовое транспортное средство 10 подвижного состава, причем вторая половина соответствует в основном зеркально-симметрично первой половине. По этой причине последующее описание ограничено исполнением первой половиной транспортного средства. В обеих половинах головной вагон 12.1 и центральный вагон 12.3 оснащены приводными электродвигателями 14. В режиме тяги они соответственно механически соединены с осью колеса для его привода, причем пары приводных электродвигателей 14 расположены соответственно в моторной тележке.
В режиме тяги приводные электродвигатели 14 снабжаются известным образом электрической мощностью с помощью блока 18 электропитания, причем отдельные блоки 18 соответственно установлены в приводных вагонах 12.1 и 12.3 соответственно для двух пар приводных электродвигателей 14 или для моторных тележек этих вагонов. Блоки 18 электропитания содержат предпочтительно по меньшей мере один выпрямитель и один импульсный инвертор, которые образованы соответственно компонентами мощной электроники. Эти компоненты, известные из уровня техники не изображены более подробно на фигурах и в данном тексте. Блоки 18 электропитания имеют с физической точки зрения форму приводного контейнера с вентильными преобразователями электроэнергии, который изображен на чертеже с его входами и выходами. В случае рассматриваемого исполнения эти контейнеры расположены ниже крыши 19 транспортного средства, причем они могут быть расположены в области под полом или – в частности, в случае двухэтажного транспортного средства – в кузове вагона. Альтернативно, по меньшей мере один из этих контейнеров может быть расположен на крыше транспортного средства.
Блоки 18 электропитания вырабатывают электрическую энергию при поступлении электрического сигнала, который вырабатывается устройством преобразования напряжения. В классическом исполнении приводной установки рельсового транспортного средства с электрическим приводом оно соответствует т.н. «главному трансформатору». Последний предназначен для индукционного преобразования высокого напряжения, снимаемого с сетевого источника 20 питания, в отличное от него трансформированное в сторону снижения напряжение, которое подводят к входам блоков 18 электропитания. Для этого устройство преобразования напряжения содержит первичную обмотку 21, через которую проходит высокое напряжение сетевого источника 20 питания, и вторичные обмотки 22.1, 22.2, 23.1, 23.2, которые пропускают трансформированное в сторону снижения напряжения. Одна пара вторичных обмоток 22.1, 22.2 придана блоку 18 электропитания центрального вагона 12.3, в то время как следующая пара вторичных обмоток 23.1, 23.2 придана блоку 18 электропитания головного вагона 12.1.
Первичная обмотка 21 устройства преобразования напряжения проводит, как описано выше, сетевое напряжение, которое снимают с сетевого источника 20 электропитания. Поэтому устройство преобразования напряжения является компонентом 24 высокого напряжения высоковольтного устройства 26 рельсового транспортного средства. В рассматриваемом исполнении компонент 24 высокого напряжения расположен ниже крыши 19 и может быть расположен, как уже было пояснено выше для блоков 18 электропитания, под полом или в кузове вагона. Сетевое напряжение подводят к первичной обмотке 21 с помощью электрического присоединения 28. Оно соединяет первичную обмотку 21 с главным блоком 30 коммутации мощности, который служит для прерывания или установления питания электрической установки рельсового транспортного средства 10 высоким напряжением сетевого источника 20 электропитания. В среде специалистов главный блок 30 коммутации мощности называют также «главным выключателем». Он может содержать в известном исполнении подвижные относительно друг друга контактные средства 31.1, 31.2, которые расположены, в частности, в вакуумной камере или в заполненной газом камере, и приводной узел для осуществления относительного движения контактных средств 31.1, 31.2 (не изображены более подробно на фигуре). Главный блок 30 коммутации мощности является следующим, отличным от компонента 24 высокого напряжения и конструктивно отделенным компонентом высокого напряжения высоковольтного устройства 26. При помощи главного блока 30 коммутации мощности можно производить электрическое соединение выполненного в качестве устройства преобразования напряжения компонента 24 высокого напряжения с сетевым источником 20 электропитания или отсоединение от него. Как известно, электрический контакт рельсового транспортного средства 10 с сетевым источником 20 электропитания устанавливают с помощью контактного устройства 32, которое в случае изображенного исполнения сетевого источника 20 электропитания с воздушным контактным проводом выполнено в виде опирающегося о крышу токосъемника. Контактный блок 32 является следующим компонентом высокого напряжения высоковольтного устройства 26 рельсового транспортного средства 10. При одном следующем исполнении сетевой источник 20 электропитания может быть выполнен с расположенной в области полотна железной дороги токопроводящей шиной.
Относительно присутствующего по меньшей мере в одном режиме тяги рельсового транспортного средства 10 потока энергии от сетевого источника 20 электропитания к по меньшей мере одному блоку 18 электропитания контактное устройство 32, главный блок 30 коммутации мощности и компонент 24 высокого напряжения расположены последовательно один за другим. Другими словами, главный блок 30 коммутации мощности – относительно этого энергетического потока – включен межу компонентом 24 высокого напряжения и контактным устройством 32. При рассмотренном исполнении рельсового транспортного средства 10 в качестве мотор-вагонного поезда высоковольтное устройство 26 рельсового транспортного средства 10 содержит высоковольтную токопроводящую шину 34, которая предназначена для распределения высокого напряжения сетевого источника 20 электропитания по нескольким вагонам 12. Она служит, в частности, для подвода снятого через контактное устройство 32 высокого напряжения к следующему компоненту высокого напряжения, который соответствует компоненту 24 высокого напряжения в другой, не изображенной половине поезда. Электрическое присоединение 28 между компонентом 24 высокого напряжения и главным блоком 30 коммутации мощности осуществляют через одну часть высоковольтной токопроводящей шины 34.
Далее, высоковольтное устройство 26 рельсового транспортного средства 10 содержит заземляющее коммутационное устройство 36, которое служит для заземления по меньшей мере одной части высоковольтного устройства 26. Оно содержит приводимое в действие коммутационное средство 38, посредством которого активная часть 35 компонента 24 высокого напряжения может быть электрически соединена с потенциалом массы рельсового транспортного средства 10. Активная часть 35 компонента 24 высокого напряжения образована, по меньшей мере, первичной обмоткой 21. В позиции заземления коммутационного средства 38 установлено электрическое соединение между электрическим присоединением 28 и потенциалом массы, в результате чего обеспечивается заземление электрического соединения 28 и вместе с ним активной части 35 компонента 24 высокого напряжения и главного блока 30 коммутации мощности.
Компонент 24 высокого напряжения и заземляющее коммутационное устройство 36 изображены более подробно на фиг. 2. Как описано выше, компонент 24 высокого напряжения выполнен в виде трансформатора. Он содержит блок 40 корпуса, который содержит внутренние компоненты, в частности, по меньшей мере, первичную обмотку 21 – по этой причине активную часть 35 – и вторичные обмотки, а также сердечник 42. В случае рассматриваемого исполнения компонента 24 высокого напряжения в качестве трансформатора специалисты называют блок 40 корпуса также «баком трансформатора».
На фиг. 2 схематично изображены на виде сбоку сердечник 42 и первичная обмотка 21. Далее, изображено электрическое присоединение 28, которое соединяет активную часть 35 или первичную обмотку 21 с главным блоком 30 коммутации мощности, в частности, через высоковольтную токопроводящую шину 34.
Как описано выше, коммутационное средство 38 заземляющего коммутационного устройства 36 – в его позиции заземления – для соединения электрического присоединения 28 и вместе с ним активной части 35 компонента 24 высокого напряжения с потенциалом массы и, следовательно, их заземления. Заземляющее коммутационное устройство 36 с коммутационным средством 38 показано на фигуре в схематичной форме. Коммутационное средство 38 соединено с заземленным электрическим проводником 44. Этот электрический проводник 44 может быть образован, например, блоком 40 корпуса. Альтернативно проводник 44 может быть выполнен отдельно от блока 40 корпуса. В исходной позиции коммутационное средство 38 отсоединено от электрического присоединения 28. Исходя из показанного на фигуре исходного положения его приводят в движение относительно стационарного проводника 44 с переходом в позицию заземления, в которой оно входит в контакт с электрическим присоединением 28 и при этом устанавливает электрическое соединение между этим присоединением 28 и заземленным проводником 44. Приведение в действие можно производить вручную, полуавтоматически или в полностью автоматическом режиме. Использующиеся для этого приводные средства не изображены на фигуре более подробно.
Блок 40 корпуса содержит внутренние компоненты компонента 24 высокого напряжения, то есть, в частности, первичную обмотку 21, вторичные обмотки 22, 23 и сердечник 42. Компонент 24 высокого напряжения выполнен в виде охлаждаемого жидкостью трансформатора. Названные выше компоненты компонента 24 высокого напряжения расположены в ванне с жидким охлаждающим и изоляционным материалом 45. В частности, этот материал 45 выполнен в виде диэлектрического масла.
Блок 40 корпуса образует, кроме того, приемную область 46 для коммутационного средства 38. Эта приемная область 46, которая принимает коммутационное средство заземляющего коммутационного устройства, соответствует при этом приемной области для названных выше компонентов компонента 24 высокого напряжения, то есть, в частности для сердечника и обмоток, причем эта приемная область содержит охлаждающий и изоляционный материал 45. В соответствии с этим коммутационное средство 38, как и компоненты компонента 24 высокого напряжения, расположено в ванне с охлаждающим и изоляционным материалом 45. При этом использующееся масло служит особо предпочтительно в качестве смазочного средства применительно к движениям скольжения, которые выполняются при приведении в действие коммутационного средства 38.
В приведенном выше описании было раскрыто рельсовое транспортное средство, выполненное в качестве мотор-вагонного поезда. В следующем варианте выполнения рельсовое транспортное средство может быть выполнено в качестве самодвижущейся единицы подвижного состава, например, в виде локомотива или головного маневрового локомотива состава, в котором концентрированно отдельно расположена приводная установка состава. Изобретение может быть использовано также и для других транспортных средств, например для троллейбусов.