Устройство для компенсации утечки тягового тока с рельсовых цепей электрических железных дорог постоянного тока

 

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистимеских

Республик

« i) 431478 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено28.07.72 (21) 1820619/24-7 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано25 08 76 Бюллетень ¹31 (45) Дата. опубликования описания 22.О1.76 (51) М. Кл.

В 6ON3/00

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам изобретений и открытий (53) УДК

62 1.3 16.973(088.8) К. Г. Марквардт, . II. Г. Сергеев, В. И, Литовченко и О. В. Грибачев (72) Авторы изобретения

Московский институт инженеров железноцорожного транспорта (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ УТЕЧКИ

ТЯГОВОГО ТОКА С РЕЛЬСОВЫХ LIEIIEH ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Прецлагаемое изобретение относится к железноцорожной технике, в частности к защите поцземных металлических сооружений от коррозионного влияния электрических железных цорог. Снижение потенциалов рельсов электрофицированн ых железных цорог и ограничение токов, стекающих с них в землю, является важной нароцно.хозяйственной зацачей, так как токи в земле от электрофицированного транспорта на 10 носят большой ущерб подземным метал, лическим сооружениям (трубопроводам, кабелям и пр.), находящимся в близлежащей зоне, вызывают коррозию арматуры опор контактной сети, коррозию верхнего 15 строения пути на участках с низким переходным сопротивлением.

Известные устройства, прецназначенные цля снижения потенциалов рельсов и компенсации токов утечки на электрических 20 железных цорогах постоянного тока, прецставляют собой статический управляемый выпрямитель, который включается в рассечку рельсовой цепи, получает питание от цополнительного источника и созцает на 2о изолированном стыке напряжение, служащее цля компенсации падения напряжения в рельсовой цепи от тягового тока.

Оцнако такие устройства нужцаются в источнике питания значительной мощности.

Хотя срецнесуточное потребление энергии таким устройством невелико, в отдельные моменты при соответствующей поезцной ситуации оно цолжно обеспечить пропуск тяговых токов большой величины, осуществляя при этом полную компенсацию тока в земле. При многократном замыкании— размыкании изолированного стыка колесными парами поцвижного состава цепи управления и обратной связи известных устройств не в состоянии обеспечить цолжного быстроцействия и потому неизбежно при замыкании стыка происхоцит резкое увеличение тока выпрямителя, при размыкании же возникает цуга, которая вызывает поцгорание концов рельсов и банцажей колесных пар — явление, нецопустимое по условиям эксплуатации рельсовых цепей желез; ных цорог.

При использовании таких устройств необ

481 478 ходимо переключение полярности выпрямителя при изменении тягового тока на участках с двусторонним питанием электрических локомотивов, что может бьггь обеспечено с помощью не менее, чем четырех однопо- 5

ЛЮСНЫХ ИЛИ ДВУХПОЛЮСЕПЕХ МОЦПЕЫХ (EIH ВЕСЬ тяговый ток) контакторов, а также безынерционная за1цита изолированного стыка и выпрямителя от пер енапря жений, в оз никающих при резкой смене направления тягового то- ЕП ка, так как при этом вследствие инерционно- сти переключающего устройства на некоторое время происходит разрыв цепи тока,.

Перечисленные особенности известных устройств приводят к тому, что простая J5 схема, состоящая из трансформатора и управляемого выпрямителя, должна быть дополнена большим числом датчиков, логических схем, силовой и оперативной коммутационной аппаратурой, вследствие чего 2Î увеличивается стоимость устройства и сниФ жается его нацежность. Наибольшие труцности с переключающим устройством, контакторы которого работают в cëîæíü х условиях с большим количесдвом переключен1ей, поэтому требуется постоянный TIIIBтельный ухоц, ремонт и профилактика. На практике наблюдаются цаже случаи привар ивания контактов переключаю щего устройства, что поцтверждает ненацежность устройства и в значительной мере снижает его эффективность.

Цель изобретения — осуществление компенсации утечки тока без потребления электрической энергии от постороннего 35 источника.

Это достигается тем, что выпрямитель, включенный в рассечку рельсовой цепи, Еп)лучает питание от инвертора, включенного в рассечку контактной сети последовательно с тяговой нагрузкой.

На фиг, 1 изображена схема вклеочения в тяговую сеть устройства цля снижения потенциалов рельсов и утечки тягового тока в землю на электрических железных дорогах постоянного тока; на фиг. 2 — принципиальная схема силовой ч;.сти устройства; ня фиг. 3 — схема м оцепи устройства, прошециiего Hспыта=ния в лабораторных условиях.

На схемах: 1 — тяговая подстанция;

2 — контактная сеть; 3 — рельсовая цепь, Ен:Еео111 зуемяя в качестве обратного привод ; 1 — электрический локомотив; 5 — возду ш)еье и щ) 0 межуток или сс кциопны и кз О ля55

I»p; 6 — изолированный стык; 7 — трансф1флЕятор с коэфее))ециентом трйенс(1)орлеан)еи, б11изким к единице; 8 — инвертор, преобра: <$ ЕО1ЦИ и ПОСТОЯН!ЕЬЕЙ ТОК ТЯЕ Овой СЕТИ В ЦЕи

60 м1111еыи; 9 выпрямитель, рассчитанный ееа пропуск тягового тока и выпрямление няцряжения вторичной обмотки трансформатора;

1 О - симметричные или встречно включенные управляемые вентили-тиристорь.; 1 1 — индук тивная уравнительная катушка; 1 2- основной коммутирующий конденсатор; 1 3 - запускаюH ее устройство; 14 — источник сигнала управления (имеет на выхоце прямоугольные импульсы); .15 - конценсатор цифференциру)спей цепочки управления запускаюпего устройства; 16 — трансформатор, размножа)ощ11й1 сигнал управления; 17 — цатчик величины и направления тока; 18, 19 исполнительне.)е реле цатчика тока; 20 цатчик контроля сигнала управления; 2 1 реле контроля сигнала управления; 22 — реле напряжения на запускающем конценсаторе; 23 -- датчик контроля коммутации инверторе и реле контроля коммутации;

24 — -рансформатор, изолирующий цепи управеЕения высокой стороны от цепей низкой стороны и рязмножак щий сигнал управленияя. и

Предлагаемая схема в блочном исполцении (см. фиг . 1) прецставляет собой инверторно-выпрямительный агрегат, включеелЕый посдецовательно в систему энергоснабжения электрического локомотива.

Еенверторе)ая часть вк)почается в рассечку (возцушный промежуток или секционный изолятор) контактной сети. Выпрямительная часть включается в рассечку (изолированньей стык 6) рельсовой цепи. Трансформатор 7, коэффициент трансформации которого близок к ецинице, работает в режиме трансформатора тока, осуществляя электрическую связь между контактной сетью и рельсовой цепью. При отсутствии утечки тока с рельсов в землю, т, е. при равенстве токов в контактной сети и рел1 совой цепи, напряжение ня трансформаторе буцет равно нулЕО. Гс, Еи же (как это всееца бывает вследствие. конечных величин сопротивления изоляции между рельсами и землей B сопротивления земли) ток в рельсах меныпе токе в контактной сети, магнитные потоки, созцаваемые в магнитопровоце трансформаторе токами первичной и вторичной обмоток, не равны. В ре-. зультате чего возникает электроцвижущая сила во вторичной обмотке, присоециненHGEI к рельсам, и противо-э. ц. с. в первичной э. ц. с. BToðè÷íîé обмотки создает напряжение, которое выпрямляется иприкладывается к изолированному стыку, спо--— собствуя цобявленик тока в рельсах цо вели Еины, равной току в контактной сети.

Зтот добавленный ток, равный К (J тр

), зе ц,екается через земан), протек Еи

481478 в направпении, противоположном тяговому току в земпе j который равен з. т к,с . Таким образом, происхоцит компенса р ция тока в земле, степень компенсации зависит от коэффициента трансформации транс. форматора 7. В большинстве случаев оптимальным является выполнение условия

= I в месте включения устройства, к.с р т. е. К =1. Такой же эффект цостигается тр и при примененич известных устройств, но отличие в том, что в известных решениях компенсация тока в земле происходит за счет энергии постороннего источника, причем большая часть этой энергии неизбежно расходуется всегда на тягу поездов, так как выпрямитель включается поспецоватепьно в эпектрическую цепь питания локомотивов и повышает напряжение на пантографе поспецних.

Поэтому известные устройства с точки

t зрения затрат энергии, ицуШей на умень шение токов утечки по отношению к обшей переработанной энергии, работают крайне нерационально. В цанной схеме компенсация токов в земле происхоцит за счет.энер-. гии тяговой сети,т. е. самого источника тока в земле. Достигаемый эффект аналогичен эффекту от увеличения сопротивления изоляции межцу рельсами и земпей как по снижению токов в земле, так и по цопопнитепьному расхоцу энергии, возникающему вследствие увеличения сопротивления тяговой сети. Дополнительный источник электрической энергии в прецпагаемой схеме требуется лишь цпя питания мапомощных цепей управления.

Прецпагаемое устройство не требует использования глубокой обратной связи цпя своего управления и в большей степени уцовпетворяет требованиям полной компенсации тока в земле. Это проявляется при перехоцных процессах, когца сравнительно большая постоянная времени цепей управпения не позволяет оставлять устройство ,в работе при проспецовании йодвижного состава по изолированному стыку во избежание искрения, поцгорания концов рельсов и бандажей колесных пар. B цанном устройстве нет внешних цепей обратной связи. Поэтому оно имеет частотную характеристику, близкую к характеристике цругих элементов тяговой сети. Пренебрегая инцуктивностью рассеяния трансформатора, можно сказать, что она практически

-1 безынерционна. Испытания на моцепи под» твердили, что замыканиеи размыкание выхоца выпрямителя не привоцят к искрению.

1 выпрямителя, через который в цанный мо45 мент должен проходить обратный тяговый ток. Эксперимент показал, что инвертор обеспечивает надежную коммутацию в очень широком циапазоне изменения тока, в том числе и при очень малых значениях его.

Однако при мецпенном плавном нарастании

50 тока от нулевого значения он не запускается (т. е. не происхоцит коммутации: оба вентиля остаются все время открытыл и, и э. ц. с. трансформатора равна нулю).

Поэтол у схема инвертора цополнена специальным запу-скаюшим устройством 13, которое cocTQIIT из конценсатора, заряжаел ого через большое (нескопько цесятков килоом) сопротивление оТ л апомошного постороннего источника, и тиристора, поц10

40 (1ринципиапьная схема силовой части предлагаемого устройства (см. фиг. 2) прецставляет собой оцнофазный послецовательно-параллельный инвертпр 8, трансформатор 7 с коэффициентом трансформации, близким к ецинице, и выпрямитель 9 на управпяел ых вентипях 10.

Схема инвертора включается поспецовательно с тяговой нагрузкой — источником тока. Напряжение на входе инвертора при таком включении люжет изл еняться от -50 цо +50в. Поэтому схема цопжна ил еть цвустороннюю провоцимость (что цостигается использованием либо симметричных, либо встречно вкпючен ых тиристоров.) и должна быть работоспособна при напряжениях

t питания, близких к нулю. Прецпагаемая схема удовлетворяет этил требованиям.

Принцип цействия ее спецуюший.

Импульс управпяюшего напряжения в течение всего попупериоца ("цежурный" импульс ) приложен к оцному из вентилей инвертора и к оцному из вентилей выпрямителя (в цанный момент — левые), В зависимости от направления тяговог тока (например, направление будет такил, как показано на фиг. 2) конденсатор 12 буцет заряжаться половиной тягового тока (при достаточно большой инцуктивпости уравнительной катушки 1 1 с полярностью напряжения, обозначенной на фиг. 2 ).

При отпирании правых вентилей инвертора и выпрямителя конценсатор разряжается по контуру, состоящему из правого Bpíтипя, трансформатора и левого вентиля, запирая левые вентили, зател происхоцит переразряд его тяговым током. При отпирании певы вентилей он запирает своим током разряца правые и т. ц. Напряжение на трансформаторе при кажцол переключении меняется на противоположное Э ц. вторичной обмотки опредепяет тот вентиль ключаюп(его этот конденсатор в Оабо-тий контур иивертора. Тиристо() упоавляется через логическую схему (: см. фиг. )с у от обп!егÎ трЯнс(!.,Ор lатосл 10 У(ГРГ))3)>я!Отцтих

СИГ)(с!ЛОГА. Д Л5(ОТEI(IDBEi:153 T>IP f>CTOPЯ IIЕОбХО=

;тимо co)3))()(le)!,Ie трех услот3И (: сигналя от цсlТЧИКЯ1 I(OIITpOB5(КO)v(lv(J> Гя>т ii(28 О ТОМс и о инвертог пе переключается; стп наля

H,«T I (>(B T0(cЯ 1 7 0 To!vf, что " 5!T of>Er!EI ток превысил ка (ое-ти минимял:,ное зна- (й -!Е) tliF= В ТОМ 1! 11> ИНОlс Нс< IOЯL3!(01!ИИ, IПIЖЕ

l(OT0(>0Г0 1>O i!tv(OCT СМI, C;>ß За:1-,)СКЯЛГЬ ИН::

ВЕГ тОр; СИГИ«Ля 0-:. рЕЛО с(ЯГ(р(тжЕ((ИЧ 22 О

ТО«(, "IТО т(а((ВИ>>КЕНИЕ - >Ц ВСЦОМО(с)ТЕ:1У Г(ОМ

1(01(ИЕНС«ТОр(OCTil Ч> 0 »0>vl ) t ;(>)itr <) i>1 0 ()ПЯЧЕ=- . .:->

Н rl й.

I (Pl(НЯЛИЧИИ Э ТИХ УC.r<0!3>t (»1 Т ОТ И>(И lIHOI(Г(олупериоц у!<равлгпошого c») пс(ля в (753:fc;—

МОСТИ OT HñÇEIош;(й имлул< с, и

Ol1»(-(1С ХОГ(ИТ Ii > >"1< Г>т>>ТОЕ Г 0 ) |r„<>Ч( с

Рсlэ(>идсl KO!IH Ol!Сс<ТО()Я 3c>»lr>РЯЕТ 0 > j»t ИЗ ВЕН

ТИЛ(li НЯЧИИс(<. Т 5(Заояг> OCl!Ol!1: (7r O КО((с(((((г,„

ТИ)ЦУ 1<1П(Е) 0 К 01 Ц = (,, ЯТОО ((ЯГОВ>.13 J -:-OJ(>, (И>>13(РЦ 0(> Лс В)СХОЯ ИТ 13 0000 -!(!<7 СО(..ТОЯН <ГО

Зу)иус!(с)t»èièli тирпстор;>яниг>яе.гс l либо гÎ

И() ()С<(Пft>rf (3<>Fv>. Е>1(f ")Я-)Р)<Г Q ВС-;Г>)с <7ГЯТ i, -,—.. ного коl>(те»(асор«, лиi>0 rll>!i >!; 01-,0 :(1)Г)(7еклт(7."(01»! i> П!1(30>>Т 0(Я, (> (>ТJ llа у > lj)ri .,< (If< >, (Г<>Х Э,. f(»(! !.C>ДС!Х .".O i Oрь>Х .Г(Ч(r!11(0 ВСРГО !1(70 Г>0!1ян,= I 0 ПОЛ rf(0 7:(

ЦЕ)КУГ>! fir> li >10„<0><(.(ТС > I rl::1.(Д Г:.",: (i(>,;!«!1< C»К>ПОП» и ТИ (7»СТ<>т> у»(7«В (я(с«ГСя :. >j! F;> Дт((((>() <. (r f!.=

1;ПРУ«)П VI<>»>Offr> И(У, <10 (QJ: . ",>Cж )" 0:, !Et I E>

С 5(ЛПIЦ(Е3 ТОМ (ЛУс!ЯЕ ЕС)Г(,, >01:,(i:001("iñf

<1(7

ГХР) (а )atr>E;(5A Llr»(l! В ИЯЧЯ 1> ° атеей (O.!)>НЕ.— (>и(7ц Обп>ет 0 у(тр 1вл(»с>п,е).0 c if и>:,ля (.(ибо

<(P(> oI1l!и ГOJ>3»PP<(i!0, . (-. >Ц>ГИ>тив»0.> слУ> сс>Е (спт>5>7<(С)11) ° я C) 1- .DC r Ir Д И<(((пс7(сC li(!!If)rr li)if! И

ЦЕПО fl(fi f!0 II(70»i (; > И \ > P )>3>fif!O(i

Ш)Ц«ЧИ !<Я З«ПЕРТЫй >П>И;)сНГ,Ci(Å,>Е)(тти> Ь

I1(7301 О ОТ»(> (ЯЮ П Еi О с (";Г. ))(а i JC.. il 3- :t;с! -:

Цfi ГЬ()И ОСНОВНГ)й 1(О)с. М)") П(>сг((I 1(l(J КОИЦСсг(СЯ =.

ГО> с ((:ы! > к() .1 му тяl и»,10же г !11>0 ll 10>(ти ГЯ КЖ(3 I; r>;! 1(3) (3 и<Э НИ(1 I!r)1! >ЯК„ I;:: i <П я Г<)К>) 1

Т5» 01>01(С.ЕТП. » -! TO v> .:.r, y"Ч,(1 С)(:»r>J<(> 1 ОК

<.у(тут п(><7»Г>ди:и> (>сp J;((и и:f!f. я;. )те .:;«,."

ffE.: 1 «ЮШЕЕ уСТрсйГТВО t «>C.!tv,1(FJ Обоас ОХ

I f(O

> (>. iO;r -2 1(с !у»оp "J> ifè)< it()1 О Г т!1 l!г!)frl

1>0 .C "1;>и; >В, i И(3сло! (10(> .l r >I(,)r< i<);,Я"i >Ц У;»(Г>С P..г(» я. ! (рецл(п яем(тя гхе.(«ор(янпч»с !3»(>(ы =

i r> . (f051 Е3 Об Пуш (Х(((у ЭНЕ> Г()СНЯ>(»>((7НИ5(8 электрического локомотива, не снижая на, нежности последней. Она не боиться резких

"Олчков тока, которые бывают в тяговой

-ети при пусках локомотивов и коротких замыканиях, не боится резких изменений паиравления тягового тока и возникак>ших при этом перенапряжений, так как в любой момент (благоцаря дежурному импульсу

>(Я OOE(olv(ИЗ ВЕНтИЛЕй) т ОтОВа ПрОПуСтИтЬ >0ê любого направления. При исчезновении литания цепей управления цатчик контро.тя с((гнала управления. 20 (см. фиг. 3) тает команцу на глухое соецинение управцяюцтего электроца кажцого вентиля с каТОЦОМ, ЧтО РаВНОСИЛЬНО ШУНтИРОВаНИЮ r! ВОЗ. цупзногÎ промежутка контактной сети, и изолированного стыка в,любом направлении., Пртт наезце попвижног0 состава на изолированный стык устройст.3о процолжает работать в нормальном режиме и лишь при

-:амыкянии паптографа воздушного промежутка инвертор исключается из работы, так .1(ак напряжение на нем будет равно нулю. ! (ри размыл(адни воздушного промежутка .>Осстапавливается норл(я>тьная работа ин-3CPT0Pa.

Hp(!f!ля .яемое устройство вследствие

::як схемн(ГЦ о решения, облацаюп:его высоКOrl Иадож»ОСТЬЮ, таК И т(адЕжНОСтИ СОСтаВ)Т(ттго)цт!Х СХЕМУ ЭЛЕМЕНТОВ (ПОДЧЕРКИВаЕтСЯ Отсутс >-вие силовой электромеханической комтирутощей ятп а(>ятур);!) способно рябстать в условиях перегона без постоянного наблюдения. Регулирование степени компен.-.ации тока B земле можно осуществлять с помощью отпаек вторичной обмотки трансoptv(атора 7. (3> Г) е (т и е т изобретения

Устройст)30 дат(кок>пенсацип утечки тяl Оного тока с рельсовых цепей электрическпх железных дорог постоянного тока, содержащее трансформатор с коэффициентом

,рапсформ«ции, близким к сцинице, вторичная обмотка которот о через в!.(Иря«иTP!1Jr ВКЛЮЧС»а В РаССЕЧКУ РЕЛЬСОВОЙ ПЕПИ, Отличак)щеес:ятем,что,с

»ел(по Осу и(ест(3(!ени5(компенсации утечки

) ..>ка без потребления электрической эц (7» .: и;1 От (>осто(7оинего источника, устройствс (:н«бже»о иш(е()TOpotv» ))I(i(í7>tå)IIIût f в рассеч«у контактной сети последовательно с тя! <.>Вой ИЯГРУЗКОй и ПЯРЯ>(.)BËlvÍO ИЕРВИЧНОй об (От« е 7 рянс фо рматора.

481478

5 фиг.3 ! ад .. и g g y Тираж 782 Подписное

3 ff

fjlfl1f fffff осударственного кокиитета Совета Министров СССР по делам изобретаннй и открытий

Москва, >К-35 Раушскан наб„д. 4!5

f1! !f1 „!1атепт Москва, Г-5!!, Ьережковская наб., 24

Составитель В.Чернова

РеаакторЗагребельиая Тепрел Кврвидвшовв Корректор!f.!(озияковская