УСТРОЙСТВО ИЗОЛИРУЮЩЕГО СОПРЯЖЕНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ И НЕЙТРАЛЬНОЙ ВСТАВКИ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ, ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
OVERHEAD CONTACT SYSTEM INSULATING COUPLER AND NEUTRAL INSERT FOR HIGH-SPEED RAILWAY TRUNK LINES POWERED BY ALTERNATING CURRENT

Изобретение относится к аппаратуре, обеспечивающей нормальное функционирование контактной сети в условиях пропуска высокоскоростных электроподвижных составов (ЭПС).
Устройство изолирующего сопряжения контактной сети и нейтральной вставки для высокоскоростных магистралей железных дорог, электрифицированных на переменном токе, содержит контактную сеть слева и справа от подстанции, питающуюся от разных фаз тягового трансформатора, фазы А и В которого присоединены к контактной сети, а фаза С присоединена к рельсам. Чтобы исключить короткое замыкание между фазами А и В, устанавливаются два изолирующих промежутка, между которыми включается участок контактной сети, не присоединенный ни к одной из фаз. В предлагаемом устройстве, в качестве исполнительного органа защиты от возникновения разрушительной дуги применяются ступенчатые переменные активные сопротивления, состоящие из двух частей. Одна из них - "контактная", - является продолжением контактного провода и заменяет его подходящую и отходящую части от изолированных промежутков. Другая - набор гасящих сопротивлений со шлейфами, подключенными к контактной части. Указанные сопротивления располагаются на изолированном несущем тросе, поддерживающем контактную часть подвески, представляющую собой ряд набранных в последовательную цепь изолированных и токопроводящих частей, к которым подключены шлейфы сопротивлений, выполняющие функцию постепенного снижения тока до величины, не способной вызвать разрушения токоведущих частей.
Известно типовое устройство электроснабжения контактной сети переменного тока, в котором контактная сеть, слева и справа от подстанции, питается от разных фаз тягового трансформатора. Фазы А и В присоединены к контактной сети, а фаза С присоединена к рельсам. Для исключения короткого замыкания между фазами А и В в устройство сопряжения вводится два изолирующих промежутка, между которыми включается участок контактной сети, не присоединенный ни к одной из фаз, называемый нейтральной вставкой (это устройство принимаем в качестве прототипа) (К.Г. Марквардт, И.И. Власов. «Контактная сеть» 3-е изд., М., Транспорт, 1977, с.271).
По условиям эксплуатации этого устройства, на железных дорогах переменного тока запрещено прохождение изолирующего сопряжения контактной сети и нейтральной вставки при включенной нагрузке. При проходе устройства, в момент перехода лыжи токоприемника с контактного провода на изолированную вставку, возникает электрическая дуга, мощность которой пропорциональна току потребления ЭПС на данный момент. Последовательное замыкание двух изолированных промежутков создает условие сквозного перекрытия для устойчивого горения дуги.
Согласно инструкции "О порядке использования токоприемников электроподвижного состава при различных условиях эксплуатации" (ЦТ-ЦЭ/844), при подъезде к нейтральной вставке, у ЭПС выключаются силовые и вспомогательные цепи, а также контактор электропитания вагонов пассажирских и электропоездов. ЭПС должен иметь скорость, достаточную для того, чтобы избежать остановку локомотива в пределах нейтральной вставки, воздушного промежутка и секционного изолятора. Длину нейтральной вставки принимают больше, чем расстояние между крайними токоприемниками ЭПС при любом сочетании включенных токоприемников. В настоящий момент, при эксплуатации удлиненных электропоездов, длина нейтральной вставки может составлять 250-400 м.
Проезд устройства требует повышенного внимания от машиниста поезда и всегда сопряжен с опасностью появления открытой электрической дуги.
Машинист обязан вывести контроллер управления двигателями в нулевое положение, отключить контакты питания собственных нужд (вентиляторов, компрессора) и отключить контактор отопления пассажирского состава; главный выключатель (ГВ) ЭПС, затем проследовать изолированные промежутки и нейтральную вставку и после знака «Включить ток» произвести все включения в обратном порядке, для дальнейшего движения поезда. Учитывая, что тяговые подстанции (а следовательно, и нейтральные вставки) располагаются друг от друга на расстоянии 40-60 км, при скорости движения ЭПС свыше 200 км/ч на высокоскоростной магистрали, время проезда межподстанционной зоны (т.е. зоны между нейтральными вставками) составляет 10-15 минут. Время проследования нейтральной вставки менее 3 сек. Время выполнения манипуляций машинистом, согласно инструкции, до 5 минут, что составляет 30% времени всего следования по межподстанционной зоне. Сопротивление воздуха движению поезда, при скоростях 200 км/ч, составляет 20-25 кН, это вызывает снижение скорости поезда после отключения тяговых двигателей. Следовательно, при прохождении нейтральной вставки с отключением тяговых двигателей дополнительно увеличивается потребление электроэнергии на последующий разгон поезда. Поддерживать сравнительно стабильную скорость движения поезда, при типовой нейтральной вставке, невозможно, из-за того, что исполнительным органом защиты, от возникновения разрушительной дуги, является ГВ ЭПС, управляемый вручную машинистом.
В одном из разработанных ранее устройств (Изобретение №2071426, В60М 3/00 от 10.01.1997 г.), для исключения человеческого фактора (так же как и в типовом устройстве), исполнительным органом защиты от возникновения разрушительной дуги является ГВ ЭПС, но управляемый автоматически.
Еще одно из разработанных ранее устройств: "Устройство электроснабжения контактной сети переменного тока" (Изобретение №2404500, В60М 3/00 от 23.12. 2009 г.). Его использование в качестве аналога позволяет решить две функциональные задачи: 1. Исключить человеческий фактор. 2. Осуществить проезд нейтральной вставки под тяговой нагрузкой.
В принятом аналоге исполнительным органом защиты от возникновения разрушительной дуги является отдельно стоящий высоковольтный выключатель, принадлежащий нейтральной вставке.
Устройство содержит: тяговую подстанцию; питающие фидеры, подключенные к участкам контактной сети и разделенные нейтральной вставкой с двумя изолирующими промежутками; высоковольтный переключатель с приводом и датчиком положения; блок вычисления момента перевода переключателя в другое положение; датчики расположения электроподвижного состава; блок накопления и передачи данных. Первый и второй выводы высоковольтного переключателя соединены с соответствующими питающими фидерами участков контактной сети, а общий вывод высоковольтного переключателя соединен с нейтральной вставкой, в зоне которой установлены датчики расположения электроподвижного состава, соединенные с блоком вычисления момента перевода переключателя в другое положение, один из выходов которого соединен с входом блока накопления и передачи данных, а другой выход соединен с управляющим входом привода высоковольтного переключателя, датчик положения которого подключен к блоку вычисления момента перевода переключателя в другое положение. Использование высоковольтного переключателя, в качестве элемента отключения тягового тока, в момент перехода на изолированное сопряжение, позволяет исключить появление дуги на контактной сети, чем создается условие прохода нейтральной вставки без отключения нагрузки ЭПС.
Однако необходимо отметить, что использование механического устройства ("высоковольтный выключатель") имеет и ряд недостатков:
1. Недостаточная надежность, так как даже незначительные нарушения в многозвенной цепочке управления выключателем могут привести к значительной аварии.
2. Ограниченная скорость следования ЭПС. Поскольку, чем выше скорость ЭПС, тем больше сближается механическое время срабатывания цепи управления со временем прохождения изолированного промежутка, что может привести к межфазному перекрытию нейтральной вставки.
3. Ограниченный моторесурс (для определения срока выведения его из работы требуется постоянный контроль за накоплением и передачей данных).
4. Дополнительные трудозатраты на периодические регламентные работы (кроме того, на время этих работ пропуск высокоскоростного ЭПС невозможен).
Целью предлагаемого изобретения является создание нового устройства, исключающего все вышеперечисленные недостатки и сохраняющего при этом функцию проследования ЭПС через нейтральную вставку без выключения нагрузки.
В предлагаемом устройстве, в качестве исполнительного органа защиты от возникновения разрушительной дуги применены ступенчатые переменные активные сопротивления, включенные в устройство изолирующего сопряжения контактной сети и нейтральной вставки в подходящую и отходящую части контактной сети (фиг.1 и 2).
Эти ступенчатые сопротивления состоят из двух частей и представляют собой следующее:
а) первая часть - контактная. Она является продолжением контактного провода и заменяет часть этого провода на подходящую и отходящую от изолированного промежутка ветви;
б) вторая часть - набор гасящих сопротивлений со шлейфами, подключенными к контактной части. Эти сопротивления располагаются на изолированном рессорном тросе, поддерживающем контактную часть подвески.
Контактная часть представляет собой ряд набранных в последовательную цепь изолированных и токопроводящих частей, по форме напоминающих контактный провод. Изолированная часть по длине не должна превышать ширину контактной части лыжи токоприемника. К токопроводящим элементам контактной части подключены шлейфы сопротивлений, выполняющих функцию постепенного снижения или увеличения тока нагрузки ЭПС, в зависимости от перемещения токоприемника. Снижение тока нагрузки производится до величины тока, не способного вызвать разрушения, при отрыве лыжи токоприемника от последнего элемента сопротивления. Величина мощности сопротивлений рассчитывается по уравнению теплового баланса, в зависимости от времени нахождения сопротивления под током. При скорости ЭПС 200 км/ч время нагрева сопротивления составляет 0,036 с.
В аналоговом устройстве (в решении функциональных задач) - чем выше скорость, тем ниже надежность. А в предлагаемом авторами устройстве, за счет снижения времени прохода сопряжения, наоборот, - с увеличением скорости, надежность устройства только повышается.
В устройстве имеется: анкерные опоры контактной сети - 1; коромысло - 2; гирлянда изоляторов - 3; изолированный рессорный трос - 4; питающие контактные провода - 5; изолированный контактный провод нейтральной вставки - 6; изолированные промежутки - 7; контактная часть переменного сопротивления - 8; гирлянда сопротивлений части переменного сопротивления - 9; шлейфы переменного сопротивления - 10; токоприемник - 11.
Устройство работает следующим образом: токоприемник 11, снимая ток тяговой нагрузки, при следовании по рабочему контактному проводу 5 и подходя к изолированному промежутку 7, начинает скользить по контактной части 8 переменного сопротивления (8, 10, 9), представляющего собой чередование изолированных и токоведущих частей, соединенных шлейфами 10 с гирляндой сопротивлений 9, расположенной на изолированном рессорном тросе 4. Элементы 8, 10, 9 выполняют функцию ступенчатого переменного сопротивления, которое при движении токоприемника 11 по контактной части 8 снижает ток потребления ЭПС до безопасной величины, не приносящий разрушения элементам контактной сети при отрыве токоприемника 11 от последнего контактного элемента 8 и перехода его на изолированный нерабочий контактный провод нейтральной вставки 6, изолированный за счет изолированных промежутков 7. При дальнейшем движении токоприемника 11 к переходу с нейтральной вставки 6 (через изолированный промежуток 7), на рабочий питающий контактный провод 5 вставляется ступенчатое переменное сопротивление из элементов 8, 10, 9. В указанном месте применение переменного сопротивления необходимо для снижения тока, поскольку при приближении токоприемника 11 к рабочему контактному поводу 5, напряжение которого 27,5 кВ (но без прикосновения к нему), происходит пробой воздуха, и если ток значительный, то неизбежно разрушение токоведущих частей. Переменное сопротивление (8, 10, 9), по которому движется токоприемник 11, повышает ток до номинального значения и тяга ЭПС восстанавливается. Проход устройства сопряжения контактной сети и нейтральной вставки, для высокоскоростных магистралей железных дорог, электрифицированных на переменном токе, будет практически мгновенным, и на торможение ЭПС не повлияет. Движение ЭПС будет равномерным. А с повышением его скорости, надежность устройства сопряжения контактной сети и нейтральной вставки для высокоскоростных магистралей железных дорог, электрифицированных на переменном токе, станет выше.