СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ ВСТАВКИ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СО СЪЕЗДОМ
METHOD OF POWER SUPPLY OF CONTROLLED INSERTION OF ALTERNATING CURRENT CONTACT NETWORK WITH CONNECTING TRACK

Способ относится к способам управляемого электропитания участков контактной сети переменного тока, имеющим разные напряжения на краях участка - вставок. А именно, к способам, в которых управляют параметрами напряжения на вставке со съездом, в зависимости от положения поезда относительно вставки.
Уровень техники
Известны системы электроснабжения, в которых используют разнополярное напряжение переменного и поэтому могут быть большие напряжения на границах съезда между путями. В них: [а.с. СССР МПК В60М 1/06 №459 366 I976 г.] [1], [ПМ 99 396 2010 г.] [2] и [патент 26873352019 г.] [3] на разные пути подают напряжение в противофазе, поэтому разница напряжений на границах контактной сети съезда будет в 2 раза больше номинального напряжения. В этих системах возникает проблема междупутного съезда, необходимого для перехода поезда с одного пути на другой.
Каких-либо способов электропитания съездов с разным напряжением на краях съезда неизвестно, но известны способы решения близкой задачи - проезда участка контактной сети одного пути с разным напряжением переменного тока на краях этого участка. Известен способ электропитания для проезда участка контактной сети с разными напряжениями по краям этого участка, при котором этот участок контактной сети выделяют в отдельную секцию, и напряжение на которую в нормальном режиме не подают. Этот способ реализован в виде нейтральной вставки для проезда контактной сети одного пути у тяговой подстанции, при питании участка контактной сети от разных фаз переменного напряжения [К.Г. Марквардт «Контактная сеть» 4-е изд., М., Транспорт, 1994, с. 263.] [4]. Нейтральную вставку отделяют от основной контактной сети изоляционными частями с обеих сторон, в виде воздушных промежутков, изолирующих сопряжений или секционных изоляторов. Напряжение на ее краях в √3 больше фазного. Напряжение на нее подают только в ручном режиме, в случае остановки поезда с токоприемниками на этом участке, без какой либо автоматизации. Это способ питания с неуправляемым напряжением на участке.
Проезд такого участка требует определенных ручных действий машиниста электроподвижного состава, согласно инструкции "О порядке использования токоприемников электроподвижного состава при различных условиях эксплуатации" (ЦТ-ЦЭ/844). При подъезде к нейтральной вставке, у электроподвижного состава (ЭПС) выключают силовые и вспомогательные цепи, а также контактор электропитания пассажирских вагонов и электропоездов. Иначе въезд под током на нейтральную вставку приведет к появлению дуги на изоляционных частях нейтральной вставки, а выезд с нее, при наличии дуги на въезде, приведет к междуфазному замыканию. При этом ЭПС должен иметь скорость, достаточную для того, чтобы избежать остановки поезда с токоприемниками в пределах нейтральной вставки.
Длина нейтральной вставки должно быть больше расстояния между двумя крайними токоприемниками поезда или пригородного ЭПС, во избежание появления аварий подвижного состава, что возможно при поезде с большим числом вагонов и наличию нескольких тяговых единиц в составе. В настоящее время расстояние между крайними токоприемниками поезда может быть более 1 км, что требует соответствующей длины участка с нейтральной вставкой. Поэтому вероятность остановки поезда на этом участке контактной сети повышается. В этом случае поезд уже не выедет, без ручных действий персонала с последовательной коммутацией разъединителей, для временной подачи напряжения на нейтральную вставку.
Известен способ электропитания вставки контактной сети, в котором в отходящие от вставки ветви основной контактной сети включены ступенчатые резисторы [патент РФ 2533768, В60М 3/00, 2014 г.] [5]. В этом способе вначале принудительно уменьшают ток ЭПС перед попаданием токоприемника на вставку, до неопасного значения тока при отрыве токоприемника, затем, после вставки, позволяют повысить его. Резистивные элементы конструктивно самой вставке не принадлежат. Вставка не теряет своего нейтрального характера. Проезд ее под током при небольших скоростях невозможен.
Появление скоростного и высокоскоростного движения, осложняет принятие персоналом решений по отключению оборудования, за время принятия которого поезд уже проедет нейтральную вставку под током. Появились способы с управлением напряжения на вставке, в результате которых напряжением на вставке стали управлять, в зависимости от местоположения поезда.
Известен способ управляемого электропитания, позволяющий достаточно плавно изменять напряжение на вставке, [патент РФ 2071426, В60М 3/00 от 1997 г.] [6]. В нем во время проезда этой, уже управляемой вставки, ее подключают на разность напряжений по концам вставки, вместе с автотрансформатором и линейным контактным резистором, последний в качестве контактного провода вставки. За счет уменьшения напряжения на токоприемнике ниже допустимого уровня, принудительно отключают ЭПС, без участия машиниста. После проезда вставки вновь осуществляют пуск ЭПС. В способе допускают образование дуги на изолирующем сопряжении.
Известен способ управляемого электропитания, позволяющий заезжать на вставку у тяговой подстанции под током [патент РФ 2404500, В60М 3/00, 2010 г.] [7]. В способе на вставку, первоначально находящейся без напряжения, подают напряжение с одной стороны вставки, затем снимают это напряжение и подают напряжение с другой стороны вставки, пока поезд находится на вставке. Проблемы коммутации тока берут на себя выключатели. Благодаря этому вставка становится управляемой и ее можно проехать под током. В этом решении вставка образована двумя изоляционными частями, в виде изолирующих сопряжений, отделяющими ее от контактной сети одного пути. Она снабжена двумя выключателями, в виде переключателя, двумя датчиками расположения ЭПС и блоком управления. Выходы датчиков подключены к входу блока управления, выходы которого подключены к входам управления выключателями. Вставку можно проехать под током. При замыкании токоприемником поезда первого изолирующего сопряжения, два разных напряжения разделяет всего одно изолирующее сопряжение на другом конце вставки.
Известен способ управляемого электропитания [патент РФ 2307745, В60М 3/00, 2006 г.] [8], в котором вставка делится на две части, на них последовательно подают напряжение, с которого съезжает поезд, по мере его продвижения по вставке. При заезде поезда на вставку снимают это напряжение и подают напряжение с другой стороны вставки. Благодаря этому вставка становится управляемой и ее можно проехать под током. В этом способе два разных напряжения разделены только одним из изолирующих промежутков, при проезде токоприемником поезда другого промежутка.
Наиболее близким решением будет патент РФ 2307745, как имеющий более двух изоляционных промежутков при отсутствии поезда.
Недостатки прототипа
Способ по прототипу рассчитан на проезд управляемой вставки, установленной в рассечку контактной сети основного пути у тяговой подстанции и не может быть использовано непосредственно для съезда, поскольку нет средств для отделения контактной сети съезда, отходящего вбок от основной линии.
Нет электрической связи между контактными сетями пути, разделенного управляемой вставкой.
Целью предлагаемого изобретения является создание устройства, исключающего указанные недостатки.
Сущность изобретения
Способ электропитания управляемой вставки контактной сети переменного тока со съездом, имеющий разные напряжения на обоих путях, при котором выделяют участок контактной сети одного пути с помощью первой и второй изоляционных частей с двух сторон, с возможностью подключения выделенной части к напряжению одного пути или к другому напряжению, причем большую часть контактной сети съезда, примыкающую к одному пути, электрически соединяют с выделенной контактной сетью одного пути, небольшую часть контактной сети съезда, примыкающую к другому пути, отделяют от большей части контактной сети съезда с помощью третьей изоляционной части, эту небольшую часть контактной сети съезда электрически соединяют с контактной сетью другого пути, выполняют обход управляемой вставки контактной сети по одному пути, при помощи обходного провода, соединяющего контактную сеть одного пути между собой за пределами управляемого участка;
Выделенный участок контактной сети на одном пути по длине выполняют, от его начала до начала съезда от одного пути, по длине большей, чем расстояние между крайними токоприемниками поезда.
Предусматривают невозможность одновременной подачи на вставку напряжения с разных путей выключателями, эти выключатели выполняют по включению как антагонисты.
Изоляционные части, образующие управляемый участок съезда, выполняют в виде изолированного сопряжения контактных проводов одного пути или съезда с изолированным отрезком контактного провода, образуют с каждым контактным проводом воздушный разрыв.
Контактные провода изоляционных частей имеют разрыв между собой больший, чем поперечное расстояние между изолированным отрезком и окончаниями контактных проводов.
В случае движении поезда по одному пути до съезда, на вставку подают напряжение одного пути, причем на изолированные отрезки контактного провода, находящиеся на одном пути, подают напряжение одного пути, а изолированный отрезок контактного провода третьей изоляционной части отключают от какого-либо напряжения, затем, при движении далее по одному пути оставляют напряжения прежними, а в случае захода поезда на съезд, отключают напряжение одного пути со вставки, отключают изолированные отрезки контактного провода, входящие в переключают напряжение управляемой вставки съезда на напряжение контактной сети другого пути и подают напряжение другого пути на изолированный отрезок контактного провода, образующим изолированное сопряжение с контактной сетью съезда, подают напряжение другого пути.
При уходе поезда с части управляемой вставки, принадлежащей непосредственно контактной сети съезда, производят отключение управляемой вставки съезда и изолированного отрезка контактного провода, входящего в третью изоляционную часть, от напряжения другого пути.
Подачу и снятие напряжений с другой секции, а также с изолированных отрезков контактного провода, образующих изолирующие сопряжения, производят через синхронные выключатели, которые включают напряжение по времени вблизи перехода его через ноль, а выключают напряжение вблизи перехода тока выключателя через ноль.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведено выделение в управляемую вставку части контактных сетей одного пути и большей части съезда.
На фиг. 2 приведен пример выполнения устройства электропитания для реализации способа:
1. - контактная сеть:
1.1 - одного пути слева, 1.2 - вставки по одному пути, 1.3 - одного пути справа, 1.4 - съезда, 1.5 - другого пути, 1.6 - обход вставки на одном пути;
2. - изоляционная часть;
2.1 - первая, 2.2 - вторая, 2.3 - третья часть;
3. - изолированный отрезок контактного провода изоляционных частей;
3.1 - первый, 3.2 - второй и 3.3 - третий изолированный отрезок.
4. - выключатели:
4.1 - первый, 4.2 - второй, 4.3 - третий, 4.4 - четвертый.
5. - станция управления выключателями;
6. - датчики прохождения токоприемника поезда:
6.1 - первый, 6.2 - второй, 6.3 - третий, 6.4 - четвертый, 6.5 - пятый датчик.
На фиг. 3 приведено расположение блок-участков управляемой вставки съезда:
7. 1 и 7.2 - изолирующие стыки;
7.3 - первый, 7.4 - второй, 7.5 - третий блок-участок.
На фиг. 4 приведен пример выполнения изоляционной части:
1.7 - изолированный отрезок контактного провода;
1.8 - изоляционный промежуток между контактными проводами вдоль контактного провода;
1.9 и 1.10 - изоляционные промежутки между контактным проводом слева и справа и изолированным отрезком 1.7;
8 - фиксирующая распорка между контактным проводом 1.1 и изолированным отрезком контактным проводом 1.7;
9 - изоляторы фиксирующей распорки;
10 - токоприемник;
10.1 - положение токоприемника перед изоляционной частью;
10.2 - положение токоприемника в конце изоляционной части.
На фиг. 5 приведен пример изоляционной части, вид сбоку.
Описание работы
Общие свойства объектов
На фиг. 1 показано образование управляемой вставки контактной сети из части контактной сети одного пути и части контактной сети съезда. Часть контактной сети одного пути, выделяемой в управляемую секцию, по длине должна соответствовать максимальному расстоянию между крайними токоприемниками обращающихся поездов на линии, как указано в разделе Уровень техники. Причем это расстояние считают от начала секции до начала съезда. Поезд может следовать прямо по одному пути, а может проследовать по съезду. Управляемая вставка имеет трехлучевую конфигурацию, узлом является место подключения съезда к одному пути. Сам съезд может иметь небольшую длину, по сравнению с расстоянием, необходимым для помещения всех токоприемников поезда на одной секции. При большой длине съезда, он фактически превращается в третий путь, что усложняет съезд.
На фиг. 2 показаны элементы устройства управляемой вставки. Перед съездом на контактной сети одного пути 1.1 электрически выделяют часть контактной сети 1.2, начиная с первой изоляционной части 2.1 так, чтобы до начала съезда мог находится целиком поезд, считая по его крайним токоприемником. Вторая изоляционной часть 2.2 ограничивает вставку справа по одному пути. После которой была продолжена контактная сеть 1.3 одного пути. Контактная сеть большей части съезда 1.4, ограничена третьей изоляционной частью 2.3 и она электрически связана с контактной сеть вставки по одному пути. Оставшуюся небольшую часть контактной сети съезда подключают к контактной сети другого пути 1.5.
При выделении управляемой вставки, для прохождения тока по контактной сети одного пути, независимо от состояния управляемой вставки, служит обход 1.6 из проводящего троса.
Для подачи напряжения на управляемую вставку с контактной сети одного пути служит выключатель 4.1. Для подачи напряжения на управляемую вставку с контактной сети другого пути служит выключатель 4.4. Для подачи напряжения на изолированные отрезки контактного провода 3.1 и 3.2 первой и второй изолирующих частей с контактной сети одного пути служат, соответственно, выключатели 4.2 и 4.3. Для подачи напряжения на изолированный отрезок контактного провода 3.3 третьей изолирующей части 3.3 с контактной сети управляемой вставки служит выключатель 4.5.
Для подачи сигнала о местонахождении токоприемника поезда служат датчики 6.1 и 6.2, 6.3 и 6.4 с 6.5.
На фиг. 3 показан пример использования изолирующих стыков 7.1 и 7.2, образующих первый блок-участок 7.3, и размещение блок-участков 7.3, 7.4 и 7.5, указывающих местоположение поезда.
На фиг. 4 показано устройство изоляционной части, например 2.1, с отрезком контактного провода 1.7. Изоляционная часть 2.1 содержит разрыв контактного провода 1.8, обеспечивающий изоляцию между напряжениями обоих путей. Изоляционную часть, предпочтительно, выполняют как двойное изолирующее сопряжение, с изолированным отрезком контактного провода 1.7. Это позволяет получить два воздушных разрыва, выполнив воздушные разрывы не только вдоль пути, как разрыв 1.8, а и поперек оси пути - разрывы 1.9 и 1.10, на одном отрезке контактного провода. Такое выполнение позволяет уменьшить конструктивную длину изоляционной части. По сути это два изолирующих сопряжения, конструктивно переходящее одно в другое. Это позволяет получить безобрывную передачу тока для токоприемника, при соединении, с помощью выключателей изолированного отрезка контактного провода, с контактными проводами слева или справа от изоляционной части. Разрыв контактных проводов 1.8 конструктивно может быть выполнен в виде изолирующего скользуна, для поддержания положения токоприемника, если разрывы 1.9 и 1.10 большие по величине. В последнем случае могут быть использованы распорки 8 с изоляторами 9.
Показано местоположение токоприемника 10 при подходе к изоляционной части, положение 10.1, и при нахождении его на изолированном отрезке контактного провода 1.7 - положение 10.2.
При проезде под током на изоляционных частях может появиться электрическая дуга между сбегающей ветвью контактной сетью и токоприемником 10. Для исключения этой дуги служит сопряжение с изолированным отрезком дополнительного контактного провода 1.7, включаемого под напряжением контактной сети того же пути в ожидании поезда. Этот изолированный отрезок контактного провода 1.7 изолирующего сопряжения, в режиме ожидания поезда, подключают, для первой 2.1 и второй изоляционных частей 2.2 выключателями 4.2 и 4.3, соответственно, к напряжению контактной сети одного пути 1.1. Поэтому обрыва тока при заезде поезда на вставку не будет. Аналогичная ситуация будет при проезде третьей изоляционной части 2.3, только напряжение будет с другого пути 1.5.
Управляемая вставка, образованная из части 1.3 одного пути и части съезда 1.4, в исходном состоянии, может быть никуда не подключена, что обеспечивает по два разрыва между вставкой и контактной сетью, слева и справа, всего 4 разрыва. При нахождении токоприемника на изоляционной части, эта часть будет создавать только один разрыв. Токоприемники не могут одновременно замкнуть с двух сторон по одному разрыву, так как длина вставки, как указано выше, должно быть больше, чем расстояние между крайними токоприемника поезда. В целом будет три разрыва на междупутное напряжение. В прототипе только один разрыв, при том же условии перемыкания токоприемником одного изолирующего сопряжения между контактными проводами пути и вставки.
Для управления выключателями необходимо знать местоположение поезда. Местоположение поезда фиксируют датчиками положения поезда, в качестве которых могут быть датчики тока 6 или блок-участки рельсовой цепи 7.3, 7.4 или 7.5, образованные изолированными стыками, например 7.1 и 7.2, при подходе поезда к изолирующей части. Например, сигнал с блок-участка рельсовой цепи 7.3 или с датчика тока 6.1, фиксирует подъезд поезда к первой изоляционной части 2.1 слева по фиг. 1 и 2. Датчик тока 6.2 фиксирует подъезд поезда к первой изоляционной части 2.1 справа по фиг. 1, при его движении по «неправильному пути», справа налево по одному пути или по съезду со стороны другого пути. Датчик тока 6.3 или второй блок-участок 7.4 фиксируют заезд поезда с одного пути на съезд. Датчик тока 6.4 или третий блок-участок 7.5 фиксируют подъезд поезда слева к третьей изоляционной части 2.3 на съезде, по фиг. 2, что означает начало выезда поезда с управляемой вставки съезда. Датчик тока 6.5 или третий блок-участок 7.5 фиксируют подъезд поезда к третьей изоляционной части 2.1 справа по фиг. 2, что означает начало движения поезда с другого пути на один путь через съезд.
Блок-участки рельсовой цепи, образованные изолированными стыками, выполняют в тех же местах, где установлены датчики тока, у них общее назначение. Например, первый блок-участок образуют от места установки датчика тока 6.1 до места установки датчика тока 6.2. Расстояние от датчика тока или от начала изолирующего стыка блок-участка, до изоляционной части выбирают по величине большим расстояния, которое проходит поезд с наибольшей скоростью за время коммутации напряжений выключателями, с запасом.
Работа при движении поездов
При движении поезда по одному пути слева направо по фиг. 2, вставку подключают с помощью выключателя 4.1 к напряжению одного пути, по сигналу о прохождении токоприемником поезда датчика тока 6.1, если он не был включен. Перед этим, выключатели 4.4 и 4.5, связанные с другим путем, отключают, если они были включены. Кроме того, включают выключатели 4.2 и 4.3, подающие напряжение одного пути на изолированные отрезки контактного провода 1.7 изоляционных частей одного пути, 2.1 и 2.2. Последнее обеспечивает безобрывное питание токоприемников. Если поезд сквозной, без захода на съезд, он следует через изоляционную часть 2.2 и далее продолжает движение по одному пути.
При движение поезда с заездом на съезд, при движении головного токоприемника поезда до начала съезда, все происходит как при сквозном движении. Повернув на съезд, токоприемник проходит мимо третьего датчика 6.3 или второго блок-участка 7.4, который посылает свой сигнал на станцию управления выключателями 5. Проезд этого датчика означает, что поезд целиком находится внутри вставки и намеревается ехать по съезду на другой путь. Тогда производят переключение напряжения на вставке с напряжения контактной сети одного пути на напряжение контактной сети другого пути. Для этого отключают первый выключатель 4.1 от напряжения контактной сети одного пути и выключатели 4.2 и 4.3, питающие отрезки контактного провода первой 2.1 и второй 2.2 изоляционных частей. Затем включают выключатель 4.4, подающий напряжение другого пути 1.5 на контактную сеть 1.2 вставки. Затем выключатель 4.5 подает питание на отрезок контактного провода 3.3 изоляционной части 2.3 на съезде 1.4. После окончания протекания тока через 6.5 или через выключатель 4.4, что означает уход последнего токоприемника поезда со съезда, выключатель 4.4 отключают. Это отключение вызывает отключение и выключателя 4.5.
Станция управления 5 связывает работу ведущих выключателей 4.1 и 4.4 с местонахождением поездов и между собой и со своими ведомыми выключателями, подает логический сигнал включения или отключения, не привязанный к фазам отключаемого тока и подаваемого напряжения. Станция включает и выключает выключатели, учитывая сигналы датчиков 6.1-6.5, учитывая последовательность их срабатывания или сигналы с блок-участков.
В отсутствии движения поезда с одного пути на другой путь, на вставку может быть подано напряжение контактной сети одного пути. Последнее удобно при редком использовании съезда. Тогда междупутное напряжение будут держать два разрыва третьей изоляционной части. Съезд поезда проезжают с уменьшенной скоростью.
Таким образом машинист поезда не отвлечен от движения поезда на разного рода переключения напряжений, которые выполняют автоматически.
Включение ведущих выключателей 4.1 и 4.4 должно быть, предпочтительно, синхронным по отношению к переходу напряжения контактной сети через ноль. Отключение ведущих выключателей 4.1 и 4.4 должно быть, предпочтительно, синхронным по отношению к переходу тока выключателей через ноль. Синхронизацию, предпочтительно, выполняют блоком управления самого выключателя. Благодаря такой синхронизации, переключения с одного напряжения на другое не сопровождаются ударными токами и большими перенапряжениями. Проезды изоляционных частей не сопровождаются дуговые явлениями, так коммутации тока токоприемника производят выключатели. Изоляционные части токоприемник проезжает под током при одинаковом напряжении с обоих сторон. Все указанные факторы продлевают жизненный цикл как оборудования ЭПС, так и оборудования устройств электроснабжения.
Остановка поезда, при его нахождении обоих секциях устройства электроснабжения по причине отсутствия напряжения на вставке невозможна, так как на его секциях все время есть напряжение, либо с одного пути, либо с другого пути.
Контактная сеть съезда предназначена для питания только одного поезда и электрические нагрузки на контактный провод не будут большими, как на основных путях. Поэтому несущий трос съезда или всей вставки может и не служить для пропуска тяговых токов. Он может быть выполнен из тросов, непроводящих ток, могущих иметь нагрузку на разрыв большую, чем металлические тросы. Например, из канатов с арамидной оплеткой и полиамидным сердечником. Кроме того, несущие элементы несущего троса могут быть выполнены на основе базальтовых, борных, арамидных, полиамидных или керамических волокон с возможностью их скрутки в тросе.
Вставки с возможностью изменения напряжения, в зависимости от положения поезда относительно вставки, могут в названии иметь характеристику «управляемые вставки», по сопоставлению с термином «нейтральная вставка».
Литература
1. А.с. СССР №4593 66 МПК В60М 1/06 А.С. Бочев «Устройство для питания контактной сети двухпутного перегона» 1976 г.
2. ПМ 99 396 М.X. Зихерман «Система электроснабжения двухпутных железных дорог», 2010 г.
3. Патент 2687335, В.В. Андреев и Ю.Л. Беньяш «Способ усиления системы электроснабжения двухпутного участка тяговой сети переменного тока» 2019 г.
4. К.Г. Марквардт «Контактная сеть» 4-е изд., М., Транспорт, 1994, с. 263.
5. Патент РФ 2533768, В60М 3/00 от 12.06. 2014 г., Е.Ю. Семенова, В.И. Карпенко Ю.В. Иодко, Д.В. Семенова «Устройство изолирующего сопряжения контактной сети и нейтральной вставки для высокоскоростных магистралей железных дорог, электрифицированных на переменном токе».
6. Патент РФ 2071426, В60М 3/00 1997 г. А.В. Котельников, А.В. Кузнецов, Г.В. Кузнецов, В.В. Мунькин «Контактная сеть переменного тока».
7. Патент РФ 2404500, В60М 3/00 от 23.12. 2009 г. Кузнецов А.В., Уманский В.И., Кузнецов Г.В., Кузнецов Д.Г. «Устройство электроснабжения».
8. Патент РФ 2307745, Васильев С.Н, Гончаренко В.П., Латманизов М.В., Мизинцев А.В., Ранта А.Р. «Система электроснабжения электрифицированной железной дороги переменного тока» В60М 3/00 от 12.06. 2006 г.