УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR POWER SUPPLY OF CONTACT DC NETWORK

Изобретение относится к области электроснабжения электрифицированных железных дорог однофазного переменного тока систем 25 кВ и 2×25 кВ и может быть использовано в контактных сетях с нейтральной вставкой.
Известно устройство электроснабжения контактной сети переменного тока, в которой контактная сеть слева и справа от подстанции питается разными фазами от 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 устанавливаются два изолирующих сопряжения, между которыми включается участок контактной сети, не присоединенный ни к одной из фаз. Такое соединение носит название «нейтральная вставка контактной сети» (А.В.Фрайфельд и др. «Устройство, сооружение и эксплуатация контактной сети и воздушных линий» 2-е изд., М., Транспорт, 1986, с.112).
По условиям эксплуатации железных дорог переменного тока недопустимо прохождение нейтральной вставки и изолирующих сопряжении при включенной тяговой нагрузке. Заезд электроподвижного состава (ЭПС) с поднятым токоприемником и включенной нагрузкой на обесточенный участок вызывает появление электрической дуги на изолирующем сопряжении (так называемая «тянущаяся остаточная электрическая дуга»). Проезд нейтральной вставки под нагрузкой и замыкание токоприемником ЭПС последовательно обоих изолирующих сопряжений вызывает образование двух электрических дуг, которые будут существовать и после проезда ЭПС по нейтральной вставке. При этом возникает устойчивое короткое замыкание между фазами А и В, на которое не настроена релейная защита фидеров смежных подстанций (отсутствует настройка защиты на угол между током и напряжением при замыкании «за спиной» питающих фидеров). Короткое замыкание между фазами А и В тягового трансформатора может привести к пережогу и падению контактной сети, вызывает электродинамический удар по обмоткам тягового трансформатора.
Согласно инструкции «О порядке использования токоприемников электроподвижного состава при различных условиях эксплуатации» (ЦТ-ЦЭ/844) при подъезде к нейтральной вставке у электроподвижного состава выключают силовые и вспомогательные цепи, а также контактор электроотопления вагонов пассажирских поездов и электропоездов. ЭПС должен иметь скорость, достаточную для того, чтобы избежать остановки 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.
Наличие в известной контактной сети незащищенных изолирующих воздушных сопряжений создает условия для возникновения повреждений в системе электроснабжения. Проезд устройства требует повышенного внимания от машиниста поезда и всегда сопряжен с опасностью появления открытой электрической дуги.
Машинист обязан выполнить ряд сложных и ответственных операций, связанных с выведением контроллера управления двигателями в нулевое положение, отключением контакторов питания собственных нужд (вентиляторов, компрессора), отключением контактора отопления пассажирского состава, отключением главного выключателя (ГВ) ЭПС, проездом нейтральной вставки, а после проследования знака «включить ток» - включением вышеперечисленных средства и осуществлением набора тяговых позиций контроллером для дальнейшего движения поезда. Учитывая, что тяговые подстанции и, следовательно, нейтральные вставки располагаются друг от друга на расстоянии 40…60 км, при скорости движения ЭПС 100 км/час такие оперативные действия машинист должен производить через каждые 25…30 минут движения. На высокоскоростной магистрали (при скоростях свыше 200 км/ч) время проезда межподстанционной зоны, т.е. зоны между нейтральными вставками, сокращается до 10…15 минут. Сопротивление движению поезда при скоростях 100…200 км/ч составляет 20…25 кН, что вызывает снижение скорости поезда после отключения тяговых двигателей. Следовательно, при прохождении нейтральной вставки дополнительно увеличивается потребление электроэнергии на последующий разгон поезда. Ухудшается плавность хода поезда на участке, что также является одним из показателей качества ведения поезда.
В качестве прототипа принято устройство тягового электроснабжения, содержащее два участка контактной сети, подключенных к разным фазам тягового трансформатора подстанции, первый участок контактной сети, подключенный к фазе А тягового трансформатора, присоединен через выключатель к началу обмотки автотрансформатора и к контактному резистору. Конец обмотки автотрансформатора и контактный резистор через разъединитель присоединены ко второму участку контактной сети, на несущем тросе контактной сети включен датчик тока, после места подсоединения питающего фидера фазы А контактной сети в сторону изолирующего сопряжения. Выход датчика тока подключен к входу блока включения выключателя и к первому входу блока отключения выключателя. Выход блока включения выключателя присоединен к первому входу блока управления выключателем и одновременно ко второму входу блока отключения выключателя. Выход блока управления выключателем присоединен к приводу выключателя, осуществляющему включение и отключение автотрансформатора и контактного резистора (RU 2071426, В60М 3/00 10.01.97).
В известном техническом решении при замыкании первого по ходу поезда изолирующего воздушного сопряжения через полоз токоприемника происходит подача напряжения на нормально беспотенциальный участок нейтральной вставки. Появление напряжения на нейтральном проводе регистрирует специальное реле напряжения. По команде от реле напряжения включается выключатель, который шунтирует это изолирующее сопряжение с образовавшейся на его ветвях электрической дугой на 2…3 с. После чего выключатель отключается, прерывая цепь питания ЭПС и исключая горение дуги на воздушном промежутке. Таким образом, принудительно отключается нагрузка ЭПС, но не машинистом с помощью главного выключателя ЭПС, а коммутирующим выключателем нейтральной вставки.
Однако обязательное отключение тяговых двигателей ЭПС при прохождении нейтральной вставки коммутирующим выключателем под воздействием автоматического управления от реле напряжения обуславливает необходимость точного соотношения времени отключения коммутирующего выключателя и времени прохождения ЭПС нейтральной вставки. Если токоприемник ЭПС пересечет второе по ходу движения изолирующее сопряжение раньше отключения коммутирующего выключателя, то возникнет короткое замыкание между фазами электротяговой сети. Время проезда нейтральной вставки длиной 200 м при скорости 100 км/ч составляет 7,5 с, а при скоростях около 200 км/ч - 3 с. После отключения коммутирующего выключателя исчезает источник питания ЭПС. Схема питания тяговых двигателей должна быть приведена к положению нулевой позиции контроллера. После проезда нейтральной вставки последует набор позиций машинистом или автоматически. Кроме того, возникает торможение подвижного состава за счет сопротивления движению во время отключения тяговых двигателей.
Технический результат изобретения заключается в повышение надежности оборудования за счет снижения переходных процессов при движении ЭПС во время проезда нейтральной вставки, соединяющей участки контактной сети, а также в улучшении условий работы ЭПС при его проезде без отключения тока и без снижения скорости движения. Кроме того, улучшаются условия труда локомотивной бригады за счет исключения трудоемких и ответственных операций при проезде нейтральной вставки.
Технический результат достигается тем, что в устройство электроснабжения контактной сети переменного тока, содержащее тяговую подстанцию, питающие фидеры которой подключены к участкам контактной сети, разделенной нейтральной вставкой с двумя изолирующими промежутками, согласно изобретению введены высоковольтный переключатель с приводом и датчиком положения, блок вычисления момента перевода переключателя в другое положение, датчики расположения электроподвижного состава и блок накопления и передачи данных, при этом 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. Высоковольтный переключатель состоит из двух вакуумных камер с размещенными в них контактами, одни выводы контактов обоих камер объединены и соединены с общим выводом высоковольтного переключателя, а другие выводы контактов соединены соответственно с первым и вторым выводами высоковольтного переключателя, причем контакты механически соединены между собой и с приводом переключателя.
На чертежах представлены: схема устройства электроснабжения контактной сети переменного тока (фиг.1) и схема высоковольтного переключателя (фиг.2).
Устройство электроснабжения контактной сети переменного тока содержит тяговую подстанцию 1, питающие фидеры 2 и 3 которой подключены к участкам контактной сети 4 и 5, разделенной нейтральной вставкой 6 с двумя изолирующими промежутками 7 и 8, высоковольтный переключатель 9 с приводом 10 и датчиком 11 положения, блок 12 вычисления момента перевода переключателя в другое положение, датчики расположения электроподвижного состава 13 и 14 и блок 15 накопления и передачи данных, первый 16 и второй 17 выводы высоковольтного переключателя 9 соединены с соответствующими питающими фидерами 2 и 3 участков контактной сети, а общий вывод 18 высоковольтного переключателя 9 соединен с нейтральной вставкой 6, в зоне которой установлены датчики расположения электроподвижного состава 13 и 14, соединенные с блоком 12 вычисления момента перевода переключателя в другое положение, один из выходов которого соединен с входом блока 15 накопления и передачи данных, а другой выход соединен с управляющим входом привода 10 высоковольтного переключателя 9, датчик положения 11 которого подключен к блоку 12 вычисления момента перевода переключателя 9 в другое положение.
Высоковольтный переключатель 9 состоит из двух вакуумных камер 19 и 20 с размещенными в них контактами 21 и 22, одни выводы контактов обоих камер объединены и соединены с общим выводом высоковольтного переключателя 18, а другие выводы контактов соединены соответственно с первым 16 и вторым 17 выводами высоковольтного переключателя 9, причем контакты механически соединены между собой и с приводом 10 переключателя 9, в котором вал 23 механически соединен с пружиной 24 отключения и электромагнитом 25 включения.
Устройство электроснабжения контактной сети переменного тока работает следующим образом.
В исходном состоянии участок контактной сети 4 подключен к фазе А тяговой подстанции 1 питающей фидерной линией 2 и предназначен для питания зоны движения слева от подстанции (левый перегон). Второй участок контактной сети 5 подключен к фазе В тяговой подстанции питающей фидерной линией 3 и предназначен для питания зоны движения справа от подстанции. Между этими участками расположена нейтральная вставка 6. Слева и справа нейтральная вставка 6 отделена от контактной сети перегонов изолированными воздушными промежутками 7 и 8.
AC
AC
BC
В исходном состоянии участок 4 контактной сети находится под напряжением U (фаза С соединена с рельсами). Нейтральная вставка 6 через высоковольтный переключатель 9 находится под напряжением U, участок 5 контактной сети находится под напряжением U.
AC
Движущийся слева направо электровоз (показано стрелкой) пересекает изолирующий (воздушный) промежуток 7, при этом на воздушном промежутке невозможно появление электрической дуги, так как он замкнут контактами высоковольтного переключателя 9. Электровоз проезжает расстояние до места установки датчика 13 расположения электроподвижного состава в зоне нейтральной вставки 6 под напряжением питания U.
BC
После поступления сигнала от датчика 14 расположения электроподвижного состава в блок 12 вычисления момента перевода переключателя в другое положение на выходе блока 12 формируется команда, поступающая на привод 10, и производится переключение высоковольтного переключателя 9 в положение, при котором питание нейтральной вставки осуществляется от фазы В. При этом в высоковольтном переключателе 9 размыкаются контакты 21, которые замыкали изолирующий (воздушный) промежуток 7, и замыкаются контакты 22, включенные параллельно изолирующему (воздушному) промежутку 8. Время переключения напряжения питания на нейтральной вставке 6 не превышает 40 мс, что не вызывает перерыва в питании электровоза. Величина напряжения на токоприемнике электроподвижного состава остается практически неизменной, а изменяется только его фазовый сдвиг на 60 электрических градусов, что не вызывает нарушений в работе схемы питания тяговых двигателей электроподвижного состава. После срабатывания высоковольтного переключателя 9 на нейтральной вставке 6 присутствует напряжение U, что позволяет электровозу проследовать воздушный промежуток 8 под током, так как этот промежуток замкнут контактами высоковольтного переключателя 9.
Через заданный в блоке 12 промежуток времени (1…2 минуты) с его выхода на привод 10 поступает сигнал для переключения высоковольтного переключателя 9 в исходное положение. Устройство готово к проезду следующего электроподвижного состава.
AC
Для соблюдения условий нормального проезда изолирующего (воздушного) промежутка 7 в устройстве используется датчик 13 расположения электроподвижного состава в зоне нейтральной вставки 6, по сигналу с которого блок 12 вычисления момента перевода переключателя в другое положение посылает сигнал на переключение высоковольтного переключателя 9 в исходное положение - подачи на нейтральную вставку 6 напряжения U.
В высоковольтном переключателе вал 23 привода 10 связан с подвижными контактами 20 и 21 таким образом, чтобы обеспечивалась работа в противофазном режиме контактов, размещенных в двух вакуумных (дугогасительных) камерах 19 и 20 переключателя (когда контакты 21, размещенные в камере 19, замкнуты, а контакты 22 в камере 20 разомкнуты). При такой схеме коммутации суммарное время отсутствия напряжения на нейтральной вставке не может превышать времени отключения выключателя, то есть не более 20…40 миллисекунд, что существенно отличает данное решение от ранее известных технических решений.
Предлагаемое техническое решение позволяет осуществить смену фаз питания электроподвижного состава при отсутствии дополнительных коммутаций и действий машиниста, обеспечить требуемое быстродействие переключения фаз при подаче напряжения на двигатели электроподвижного состава.
В блоке 15 накопления и передачи данных собирается и накапливается информация об астрономическом времени прохождения электроподвижного состава через нейтральную вставку и количестве проходов электроподвижного состава за заданный период времени. Данная информация передается:
- поездному диспетчеру для корректировки исполняемого графика движения поездов;
- в АСКУЭ для определения расхода электроэнергии на тягу поездов на межподстанционной зоне и потерь электроэнергии в тяговой сети;
- энергодиспетчеру для определения ресурса работы оборудования нейтральной вставки (изолирующий воздушный промежуток, высоковольтный переключатель) и организации его обслуживания по техническому состоянию.
Передача информации может быть организована по любому из известных каналов связи - GSM, оптоволокно, радио и другие.