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"EQUPPEMENT DE TRACTION ELECTRIQUE POUVANT ETRE COUPLE EN SERIE
ET EN PARALLELE AVEC UN EQUIPEMENT ANALOGUE" .
Les chemins de fer électriques à courant continu sont alimentés sous une tension élevée afin de réduire la section des lignes de distribution et d'augmenter l'espacement des sousstati ons .
L'emploi de cette tension élevée ne présente pas d'inconvénient pour les moteurs puissants qui équipent les grosses locomotives mais il augmente le poids spécifique et l'encombrement des moteurs de puissance relativement faible qui entraînent les automotrices et les locomotives légères.
Cet effet nuisible est surtout marqué si on adopte un schéma de couplage qui applique une tension élevée aux bornes des moteurs : l'obligation de commuter sous une tension élevée; conduit alors à donner au collecteur des dimensions supérieures
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à celles qu'il aurait pour la puissance imposée, dans les conditions courantes de la construction électrique. L'exagération des dimensions du collecteur a une répercussion fâcheuse sur les poids des autres organes.
Les moteurs de faible puissance qui doivent fonctionner sous tension élevée sont nécessairement plus lourds et plus encombrants que les moteurs équivalents soumis à une tension plus basse:
II y a donc intérêt à réduire la tension appliquée à chaque moteur de traction; ce résultat peut âtre obtenu en connectant en permanence en série tous les moteurs d'une même voiture ou d'une même locomotive.
L'équipement qui en résulte présente toutefois l'inconvénient de ne permettre qu'un seul couplage des moteurs, donc de perdre une énergie relativement importante dans les résistances de démarrage et de donner une seule vitesse de marche économique avec pleine excitation des moteurs.
On peut remédier à cet inconvénient quand l'automotrice ou la locomotive légère fait partie d'un train à unités multiples c'est-à-dire d'un train qui comprend plusieurs véhicules moteurs identiques. Il suffit de combiner entre eux les équipements des véhicules moteurs qui entrent dans la composition du train, de les coupler successivement en série et en parallèle de manière à soumettre à différentes tensions les moteurs d'une même automotrice ou locomotive.
Le système qui fait l'objet du présent brevet permet de coupler électriquement deux véhicules moteurs incorporés à une Blême rame. Il ne nécessite qu'un seul conducteur pour assurer le transport du courant de traction entre les deux véhicules conjugués. Par l'intermédiaire de ce conducteur les équipements des véhicules accouplés peuvent être connectés en série et démarrés jusqu'au retrait complet des résistances installées sur chacun des véhicules accouplés.,Après avoir été démarrés en couplage série les deux équipements conjugués peuvent être démarrés en couplage parallèle.
Pendant le démarrage en parallèle
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de même que dans le fonctionnement normal en couplage parallèle, l'alimentation de chaque équipement conjugué se fait directement par sa prise de courant propre sans que le conducteur de connexion ait à intervenir. Le passage du couplage série au couplage parallèle s'opère en conservant le couple de tous les moteurs de traction faisant partie des équipements conjugués..
Un véhicule moteur équipé ccmne il est décrit ci-après peut aussi démarrer directement et isolément sous la tension de la ligne de distribution, en supposant bien entendu que ses résis- tances de démarrage aient' été prévues en conséquence. Cette propriété permet de constituer des trains composés d'une ou plusi eurs paires de véhicules moteurs conjugués et de les scinder en un certain point de leur parcours en unités indépendantes comportant un seul véhicule moteur.
La fig. 1 des dessins ci-annexés représente, à titre d'exemple, le schéma d'équipement d'un véhicule comportant quatre moteurs,suivant l'invention :
11' 12' 13' 14' sont les induits des moteurs.
E1' E2' E3' E4' sont les inducteurs des moteurs.
W1' W2'--, Wk'--, Wn-1' Wn' sont les résistances de démarrage.
K est le tambour de l'inverseur du sens de marche représenté dans la position qui commande le sens. de marche avant.
L est un contacteur de ligne.
A' B et 0 sont des contacteurs de couplage.
R1' R2'--, Rk'--, Rn-1' Rn' sa nt des contacteurs d'élimination des 'résistances.
P est la fiche d'accouplement d'un c#ble D qui assure le transport du courant de traction entre deux véhicules moteurs conjugués..
La fig. 2 est un tableau donnant l'ordre d'enclenchement et de déclenchement des contacteurs précités . Suivant un mode de représentation connu, les colonnes de ce tableau sont affectées aux différents contacteurs de l'équipement et les lignes sont relatives aux combinaisons successi-
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vement réalisées par l'équipement : série, parallèle - avec période de transition. Si une case du tableau porte une croix, cela signifie que le contacteur désigné en tête de colonne est fermé dans la combinaison de la ligne correspondante. Si la case est vide cela veut dire que le contacteur est ouvert.
La fig. 3 représente les circuits réalisés par les équipements de deux véhicules moteurs T et T'accouplés dans une même rame. Sur cete figure on a supposé que les inverseurs du sens de marche (non représentés) se trouvaient dans la position qui commande la marche du train dans le sens avant du véhicule T.
Ce sens est le sens de marche arrière pour le véhicule T'.
Sur toutes les figures les mêmes lettres de référence désignent les mêmes éléments ou organes.
Un asservissement approprié assure le fonctionnement simultané des contacteurs homologues des deux équipements con- jugués; c'est-à-dirc que les contacteurs désignés par la même lettre se ferment et s'ouvrent en même temps sur le véhicule T et sur le véhicule T' . On connaît différents moyens d'obtenir ce résultat ; parexemple, s'il s'agit de contacteurs à commande séparée, électromagnétique ou électropneumatique, on peut connecter en parallèle les bobines d'excitation des contacteurs homologues à l'aide de conducteurs d'asservissement allant du véhicule T au véhicule T'.
Quel que soit le moyen employé pour obtenir le fonctionnement simultané des' contacteurs homologues, pour démarrer les véhicules T et T', on commence par enclencher simultanément les contacteurs L et Il et les contacteurs B et B' ,
Le courant de traction capté par la prise F du. véhicule T traverse sur ce véhicule les inducteurs E1' E2' E3, des moteurs, puis leurs induits I1' I2' I3' I4 et toutes les résistances de démarrage Wn à W1 pour'arriver à la fiche d'accouplement P.
Il passe alors du véhicule T au véhicule T' par l'intermédiaire du conducteur D disposé le long du train, entre sur le véhicule T' par la fiche d'accouplement P' et parcourt
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successivement sur ce véhicule l'ensemble des résistances de démarrage W'1 à vine les induits Il 1-' I'3' 1' 2' 1' 1 des moteurs et leurs inducteurs E1 1, E' 2' E' 3' E' 4 avant de gagner la terre, p8le négatif de la distribution.
Bien que la prise de courant F' du véhicule T' soit en service et que le contacteur L' soit enclenché, cette prise de courant F' ne capte aucun courant sur la ligne parce que le contacteur 0' est ouvert.
Le démarrage des véhicules T et T' se poursuit par le retrait simultané et progressif des résistances de démarrage installées sur chacun d'eux. Le tableau de la fige 2 permet de suivre le fonctionnement des contacteurs R1' R2' --, Rk, --, Rn-1, Rn et de leurs homologues R' 1' R1 2' -, R1 k' --, R'n-1.
R'n qui éliminent respectivement les résistances de démarrage W1 à Wn et W' 1 à W' n.
L'enclenchement simultané des contacteurs Rn et R'n marque la fin du démarrage en couplage série, il s'accompagne de la fermeture simultanée des contacteurs A et A' afin de préparer, dès cette position, le passage en couplage parallèle,.
Quand les contacteurs Rn et R' n, A et A' sont enclenchés on'peut, ou bien rouler indéfiniment avec les deux équipements couplés en série,toutes résistances étant éliminées, ou bien continuer le démarrage avec les deux équipements couplés en parallèle.
Si on désire coupler les deux équipements conjugués en parallèle, on commence par ouvrir les contacteurs B et B' afin que les contacteurs A et A' assurent seuls l'interconnexion électrique des deux équipements. On ouvre en même temps les contacteurs Rn et R'n qui court-circuitaient les résistances de démarrage.
Le changement du couplage comporte un second cran de transition au cours duquel on ferme simultanément le contacteur 0 et son homologue 0'-. Le schéma réalisé au second cran de transition dérive de celui obtenu dans la transition de couplage connue sous la dénomination de méthode du pont.
Sur le véhicule T le courant capté à la ligne parcourt
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successivement la série des moteurs et toutes les'résistances de démarrage Wn à sur le véhicule T' le courant capté traverse toutes les résistances de démarrage W' 1 à W' n avant de passer par la série des moteurs. Le contacteur A, les fiches d'accouplement P et P', le câble de connexion D et le contac- teur A' établissent une liaison d'équilibre entre les deux équipements conjugués. Par l'intermédiaire de cette liaison, le noeud de connexion entre la série de moteurs et les résistances de démarrage est maintenu à la même tension sur le véhicule T et sur le véhicule T' . On sait que ce schéma jouit de la propriété de conserver le couple de tous les moteurs de traction en jeu.
Il en résulte que l'effort de traction développé par les deux véhicules accouplés ne se trouve pas diminué pendant la transition du couplage en série au couplage en parallèle.
La première position de démarrage en couplage parallèle est obtenue en ouvrant les contacteurs A et A'.
Le démarrage en couplage parallèle se poursuit en éliminant simultanément et progressivement les résistances de démarrage W1 à Wn et W1 1 à W1 n des deux équipements accouplés.
Cette élimination est opérée par les contacteurs R1' -- , Rk' - , Rn et par les contacteurs homologues R' 1' -, R' k' -- , R' n dans l'ordre représenté au tableau de la fig. 2.
Quand l'élimination est terminée, les contacteurs Rn et R' n restent fermés.
Pendant le couplage en parallèle chaque équipement accouplé est alimenté par sa propre prise de courant F, F' et le câble de connexion Dn'est plus en service.
Quand le sens de marche du train est inversé, l'équipement du véhicule T joue le rôle de l'équipement du véhicule T' et inversement; entre autres, pendant le fonctionnement en couplage série, l'alimentait, on des équipements conjugués s'opère par l'intermédiaire de la prise de courant F' du véhicule T' tandis que le courant de traction retourne à la terrc par le véhicula T. Le changement des rôles est réalisé par l'inver- -seur du sens de marche .
A cet effet, celui-ci effectue non
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seulement les cominaisons habituelles à ce genre d'appareil., mais en plus, dans la position qui commande la marche en avant, il connecte le contacteur L ou 16, avec le circuit des moteurs en même temps qu'il relie le contacteur C ou C' à la terre et dans la position qui commande la marche en arrière, il connecte le contacteur L ou L'avec le contacteur C ou C' en même temps qu'il met directement à la terre l'un des pôles du circuit des moteurs.
En résumé, l'équipement de traction qui fait l'objet de ce brevet peut être couplé en série et en parallèle avec un équipement analogue. Pendant le passage du couplage en série au couplage en parallèle, l'effort de traction exercé par les deux véhicules accouplés ne se trouve pas diminué.
L'invention qui vient d'être décrite est susceptible d'être astiquée sous d'autres formes que celle représentée sur les dessins. Au lieu de comporter quatre moteurs couplés en série d'une façon permanente, l'équipement peut avoir un nombre quelconque de moteurs couplés d'une façon permanente en série, en série parallèle ou en parallèle.
Au lieu d'avoir ses moteurs couplés d'une façon invariable, l'équipement peut les coupler successivement en série, série parallèle et parallèle. A titre d'exemple, on peut appli- quer l'invention à un équipement comprenant quatre moteurs qui peuvent être couplés entre eux de différentes manières. Si un train comporte deux véhicules équipés de cette façon, on pourra les conjuguer et démarrer le train en couplant les deux équipements en série, tandis que les moteurs de chaque véhicule seront couplés successivement en série, en série parallèle et en parallèle. Le démarrage sera terminé en couplant les deux équipements en parallèle et en couplant les moteurs de chaque véhicule en parallèle;.
L'équipement décrit peut aussi recevoir toute addition ou subir toute modification n'altérant pas les caractéristiques de l'invention :
On peut prévoir des dispositions permettant de faire
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fonctionner les moteurs à excitation réduite, d'autres permettant de les faire fonctionner en génératrice débitant sur une résistance ou sur la ligne en vue du freinage électrique.
Au lieu de moteurs à excitation série on peut employer des moteurs qui sont à excitation shunt., compound ou indépendante, d'une façon permanente ou intermittente.
On peut aussi introduire dans l'équipement des appareils permettant d'éliminer du circuit tout ou partie des moteurs.
Les contacteurs A, B et C peuvent être remplacés éventuellement par des touches et balais ou par tout autre appareillage capable de fermer et d'ouvrir un circuit.
On peut intervertir entre elles la position du circuit des moteurs et celle du circuit des résistances relativement à la ligne et à la terre.
Les connexions particulières qui ont été décrites ne sont pas nécessairement formées par l'inverseur du sens de marche.
Elles peuvent être réalisées par n'importe quel combinateur ou commutateur spécial ou non, dont les positions seront conjuguées avec celles de l'inverseur du sens de marche.
Un véhicule équipé suivant l'invention peut aussi démarrer seul c'est-à-dire sans être accouplé à un véhicule analogue. Dans ce cas la fiche d'accouplement P n'est pas connectée, les moteurs resteront sans courant tant que l' équipement se trouvera sur les crans de couplage en série, mais la fermeture du contacteur C assurera le démarrage du véhicule dès que l'équipement arrivera sur lee crans de couplage en parallèle.
Il est bien entendu qu'alors les résistances de démarrage sont supposées calibrées pour permettre de démarrer'directement en parallèle. la propriété qui vient d'être mise en évidence permet d'incorporer à un train un nombre quelconque de véhicules équipés suivant l'invention, autant que possible, les véhicules moteurs seront conjugués par paire, mais les véhicules qui n'auront pas pu être appariés fonctionneront pour leur propre compte, démarrant isolément et directement sous la tension totale de
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la ligne. Le train ainsi constitué pourra être scindé d'une fa- çon quelconque en n'importe quel point de son parcours.
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"ELECTRIC TRACTION EQUPMENT THAT CAN BE TORQUE IN SERIES
AND IN PARALLEL WITH ANALOGUE EQUIPMENT ".
Direct current electric railways are supplied with high voltage in order to reduce the section of distribution lines and increase the spacing of substations.
The use of this high voltage does not present any drawback for the powerful engines which equip large locomotives, but it increases the specific weight and the size of the relatively low power engines which drive the light rail cars and locomotives.
This harmful effect is especially marked if we adopt a coupling scheme which applies a high voltage to the terminals of the motors: the obligation to switch under a high voltage; then leads to giving the collector greater dimensions
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to those which it would have for the imposed power, under the current conditions of electrical construction. The exaggeration of the dimensions of the collector has an unfortunate repercussion on the weights of the other organs.
Low-power motors which must operate at high voltage are necessarily heavier and more bulky than equivalent motors subjected to a lower voltage:
It is therefore advantageous to reduce the voltage applied to each traction motor; this result can be obtained by permanently connecting in series all the engines of the same car or the same locomotive.
The resulting equipment, however, has the drawback of allowing only a single coupling of the motors, therefore of losing a relatively large amount of energy in the starting resistors and of providing a single economical running speed with full excitation of the motors.
This drawback can be overcome when the railcar or the light locomotive is part of a multiple unit train, that is to say of a train which comprises several identical motor vehicles. It suffices to combine together the equipment of the motor vehicles which enter into the composition of the train, to couple them successively in series and in parallel so as to subject the engines of the same railcar or locomotive to different voltages.
The system which is the subject of the present patent makes it possible to electrically couple two motor vehicles incorporated in a pale train. It only requires a single conductor to ensure the transport of the traction current between the two combined vehicles. Via this conductor, the equipment of the coupled vehicles can be connected in series and started up until the complete removal of the resistors installed on each of the coupled vehicles., After having been started in series coupling, the two combined equipment can be started in coupling parallel.
During parallel start
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just as in normal operation in parallel coupling, the power supply of each combined equipment is done directly by its own socket without the connection conductor having to intervene. The change from series coupling to parallel coupling takes place while maintaining the torque of all traction motors forming part of the combined equipment.
A motor vehicle equipped as described below can also start directly and in isolation under the voltage of the distribution line, assuming of course that its starting resistors have been provided accordingly. This property makes it possible to constitute trains made up of one or more pairs of conjugated motor vehicles and to split them at a certain point on their journey into independent units comprising a single motor vehicle.
Fig. 1 of the appended drawings represents, by way of example, the equipment diagram of a vehicle comprising four engines, according to the invention:
11 '12' 13 '14' are the armatures of the motors.
E1 'E2' E3 'E4' are the inductors of the motors.
W1 'W2' -, Wk '-, Wn-1' Wn 'are the starting resistors.
K is the direction of travel reverser drum shown in the position which controls the direction. forward.
L is a line contactor.
A 'B and 0 are coupling contactors.
R1 'R2' -, Rk '-, Rn-1' Rn 'exclude contactors for eliminating' resistances.
P is the coupling plug of a D cable which transports the traction current between two combined motor vehicles.
Fig. 2 is a table giving the order of closing and tripping of the aforementioned contactors. According to a known mode of representation, the columns of this table are assigned to the different contactors of the equipment and the rows relate to the successive combinations.
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performed by the equipment: series, parallel - with transition period. If a box in the table has a cross, this means that the contactor designated at the head of the column is closed in the combination of the corresponding row. If the box is empty, it means that the contactor is open.
Fig. 3 shows the circuits produced by the equipment of two motor vehicles T and T 'coupled in the same train. In this figure, it is assumed that the direction of travel reversers (not shown) were in the position which controls the running of the train in the forward direction of the vehicle T.
This direction is the direction of reverse for the vehicle T '.
In all the figures the same reference letters designate the same elements or members.
An appropriate servo-control ensures the simultaneous operation of the corresponding contactors of the two devices combined; that is, the contactors designated by the same letter close and open at the same time on the vehicle T and on the vehicle T '. We know different means of obtaining this result; for example, in the case of separately controlled, electromagnetic or electro-pneumatic contactors, the excitation coils of the homologous contactors can be connected in parallel with the aid of servo conductors going from the vehicle T to the vehicle T ′.
Whatever the means used to obtain the simultaneous operation of the 'homologous contactors, to start the vehicles T and T', one starts by simultaneously switching on the contactors L and Il and the contactors B and B ',
The traction current picked up by the socket F of the. vehicle T crosses on this vehicle the inductors E1 'E2' E3, of the motors, then their armatures I1 'I2' I3 'I4 and all the starting resistors Wn to W1 to reach the coupling plug P.
It then passes from vehicle T to vehicle T 'via the conductor D arranged alongside the train, enters the vehicle T' via the coupling plug P 'and travels
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successively on this vehicle all the starting resistors W'1 to vine the armatures Il 1- 'I'3' 1 '2' 1 '1 of the motors and their inductors E1 1, E' 2 'E' 3 'E '4 before gaining the land, negative p8le of the distribution.
Although the socket F 'of the vehicle T' is in service and the contactor L 'is on, this socket F' does not pick up any current on the line because the contactor 0 'is open.
The starting of vehicles T and T 'continues with the simultaneous and gradual removal of the starting resistors installed on each of them. The table in figure 2 makes it possible to follow the operation of contactors R1 'R2' -, Rk, -, Rn-1, Rn and their counterparts R '1' R1 2 '-, R1 k' -, R 'n-1.
R'n which respectively eliminate the starting resistors W1 to Wn and W '1 to W' n.
The simultaneous closing of contactors Rn and R'n marks the end of starting in series coupling, it is accompanied by the simultaneous closing of contactors A and A 'in order to prepare, from this position, the switch to parallel coupling.
When contactors Rn and R 'n, A and A' are engaged, you can either run indefinitely with the two devices coupled in series, all resistances being eliminated, or continue starting with the two devices coupled in parallel.
If it is desired to couple the two combined devices in parallel, we begin by opening the contactors B and B 'so that the contactors A and A' alone ensure the electrical interconnection of the two devices. At the same time, the contactors Rn and R'n are opened, which short-circuited the starting resistors.
The change of the coupling includes a second transition step during which the contactor 0 and its counterpart 0'- are simultaneously closed. The diagram produced at the second transition notch derives from that obtained in the coupling transition known under the name of the bridge method.
On vehicle T, the current captured at the line travels
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successively the series of motors and all the 'starting resistors Wn to on the vehicle T' the current sensed passes through all the starting resistors W '1 to W' n before passing through the series of motors. Contactor A, mating plugs P and P ', connection cable D and contactor A' establish a balance link between the two mating devices. By means of this link, the connection node between the series of motors and the starting resistors is maintained at the same voltage on the vehicle T and on the vehicle T '. We know that this scheme has the property of retaining the torque of all the traction motors in play.
As a result, the traction force developed by the two coupled vehicles is not reduced during the transition from the series coupling to the parallel coupling.
The first start position in parallel coupling is obtained by opening contactors A and A '.
Starting in parallel coupling continues by simultaneously and progressively eliminating the starting resistors W1 to Wn and W1 1 to W1 n of the two coupled devices.
This elimination is carried out by the contactors R1 '-, Rk' -, Rn and by the homologous contactors R '1' -, R 'k' -, R 'n in the order shown in the table in fig. 2.
When elimination is complete, contactors Rn and R 'n remain closed.
During parallel coupling each piece of coupled equipment is supplied by its own socket F, F 'and the connection cable D is no longer in service.
When the direction of travel of the train is reversed, the equipment of the vehicle T plays the role of the equipment of the vehicle T 'and vice versa; among other things, during the operation in series coupling, supplied it, one of the combined equipment is operated through the socket F 'of the vehicle T' while the traction current returns to the earth by the vehicle T The change of roles is carried out by the reverser of the direction of travel.
To this end, it does not
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only the usual combinations for this kind of device., but in addition, in the position which controls forward motion, it connects contactor L or 16, with the motor circuit at the same time as it connects contactor C or C 'to earth and in the position which controls reverse gear, it connects contactor L or L with contactor C or C' at the same time as it directly earths one of the poles of the circuit. engines.
In summary, the traction equipment which is the subject of this patent can be coupled in series and in parallel with similar equipment. During the passage from the series coupling to the parallel coupling, the traction force exerted by the two coupled vehicles is not reduced.
The invention which has just been described is capable of being polished in forms other than that shown in the drawings. Instead of having four motors permanently coupled in series, the equipment can have any number of motors permanently coupled in series, series parallel or parallel.
Instead of having its motors coupled in an invariable way, the equipment can couple them successively in series, series parallel and parallel. By way of example, the invention can be applied to equipment comprising four motors which can be coupled together in different ways. If a train has two vehicles equipped in this way, we can combine them and start the train by coupling the two devices in series, while the engines of each vehicle will be successively coupled in series, in series parallel and in parallel. The start-up will be completed by coupling the two equipments in parallel and by coupling the engines of each vehicle in parallel.
The equipment described can also receive any addition or undergo any modification that does not alter the characteristics of the invention:
Provision can be made for making
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operate the motors with reduced excitation, others allowing them to operate as a generator delivering on a resistance or on the line for electric braking.
Instead of motors with series excitation, motors can be used which are shunt, compound or independent, permanently or intermittently.
It is also possible to introduce into the equipment devices allowing all or part of the motors to be eliminated from the circuit.
Contactors A, B and C can optionally be replaced by buttons and brushes or by any other device capable of closing and opening a circuit.
The position of the motor circuit and that of the resistance circuit relative to the line and to the earth can be interchanged.
The particular connections which have been described are not necessarily formed by the travel direction reverser.
They can be carried out by any combination or switch, special or not, the positions of which will be combined with those of the travel direction reverser.
A vehicle equipped according to the invention can also start alone, that is to say without being coupled to a similar vehicle. In this case the coupling plug P is not connected, the motors will remain without current as long as the equipment is on the coupling notches in series, but the closing of the contactor C will ensure the starting of the vehicle as soon as the equipment will arrive on the coupling notches in parallel.
It is of course understood that then the starting resistors are supposed to be calibrated to allow starting directly in parallel. the property which has just been demonstrated makes it possible to incorporate into a train any number of vehicles equipped according to the invention, as far as possible, the motor vehicles will be combined in pairs, but the vehicles which could not be paired will operate on their own, starting in isolation and directly under the full voltage of
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line. The train thus formed can be split in any way at any point on its route.