PL226151B1 - System przeciwoblodzeniowy energetycznej instalacji trakcyjnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest system przeciwoblodzeniowy energetycznej instalacji trakcyjnej, który ma za zadanie nie dopuścić do powstania szadzi na przewodach jezdnych trakcji elektrycznej lub powodować jej usunięcie w jak najkrótszym czasie i przy jak najmniejszych środkach ekonomicznych.

Szadź to osad z śniegu lub lodu, na przewodzie elektrycznym. Powstaje ona najczęściej przy temperaturze -5°C. W przewodach jezdnych (trakcyjnych) szadź nie tylko mechanicznie obciąża przewody trakcyjne, ale dodatkowo nie pozwala korzystać z podstawowej funkcji, jaką jest przesyłanie prądu elektrycznego z przewodu do pantografu pociągu. W wyniku powstania szadzi składy pociągów (lokomotyw) elektrycznych, tramwajów, czy trolejbusów nie mogą jeździć. Należy najpierw w sposób mechaniczny usunąć z przewodu jezdnego cały osad z lodu i śniegu, aby pantograf mógł stykać się galwanicznie z przewodem jezdnym. W przypadku rozległej sieci trakcyjnej usuwanie szadzi może potrwać kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt godzin. W tym czasie wszystkie składy elektryczne pociągów, tramwajów czy trolejbusów są wyłączone z ruchu.

Aby nie dopuścić do powstania szadzi lub usunąć ją z przewodu jezdnego (trakcyjnego) bez mechanicznego oddziaływania należy go podgrzać do temperatury powyżej 0°C. Podgrzewanie całe22 go przewodu jezdnego o przekroju 100 mm² dla trolejbusów i tramwajów oraz 150 mm² dla pociągów elektrycznych o 5-10 stopni wiązałoby się z dużymi stratami energii elektrycznej, szczególnie przy dużej odległości, jak w przypadku trakcji elektrycznej wynoszącej kilkaset kilometrów. Wówczas układ trakcji należałoby zasilić napięciem stałym o wartości dużo mniejszej niż w normalnych warunkach pracy (3000 V napięcia stałego dla sieci trakcyjnej kolejowej) i powodować zwarcie w odpowiednich miejscach sieci, aby prąd zwarcia płynący w przewodach miał odpowiednią wartość i nie spowodował uszkodzenia samych przewodów. Takie rozwiązanie jest więc nieopłacalne ekonomicznie i trudne do realizacji ze względów technicznych. Kolejnym problemem byłaby konieczność przerwy w pracy zespołów trakcyjnych, w wyniku zasilania ich napięciem dużo niższym od znamionowego.

Znane są z opisów wynalazków i wzorów użytkowych poniższe rozwiązania, które dotyczą urządzeń, systemów, układów do odladzania przewodów.

CN 202 424 080 (U) - 2012-09-05 „Alternating-current de-icing system for traction network of electrified railway” - System do usuwania oblodzenia sieci trakcyjnej kolejowej zelektryfikowanych z wykorzystaniem prądu przemiennego opisuje układ wykorzystujący obniżone napięcie trakcyjne za pomocą transformatora. Odladzanie przewodów odbywa się przy pomocy prądów o częstotliwości sieci, które płynąc przez przewody trakcyjne podgrzewają je.

CN 103 490 645 (A) - 2014-01-01 „Single-phase electrified railway contact net direct-current deicing device and system” - System odladzania zelektryfikowanych sieci kolejowych wykorzystujący prąd stały polega na tym, że prąd stały uzyskiwany jest z prostowników mocy zasilanych z jednaj fazy napięcia zmiennego. Odladzanie przewodów odbywa się przy pomocy prądu stałego który płynąc przez przewody trakcyjne podgrzewa je.

CN 203 128 975 (U) - 2013-08-14 „Automatic microwave deicing system for bridge pavement”. W automatycznym systemie mikrofalowym do odladzania chodnika mostu zastosowano technikę mikrofalową ale nie podano zakresów częstotliwości. Wykorzystano czujniki temperatury i grzejniki mikrofalowe, jednak nie podano jaka, jest zależność pomiędzy temperaturą a oblodzeniem.

Według wynalazku system przeciwoblodzeniowy energetycznej instalacji trakcyjnej, charakteryzuje się tym, że składa się z przestrajanego generatora napięcia zmiennego wysokiej częstotliwości od 1 GHz do 10 GHz z regulowaną wartością napięcia, który połączony jest z układem zabezpieczającym przed wysokim napięciem zbudowanym z kondensatorów o regulowanej pojemności, układem sterującym i szyną. Układ zabezpieczający przed wysokim napięciem połączony jest z układem sterującym oraz przewodem jezdnym. Do układu sterującego podłączony jest moduł radiowy układu sterującego wraz z anteną. Moduł radiowy układu sterującego połączony jest drogą bezprzewodową z co najmniej jednym modułem radiowym laserowych czujników oblodzenia. Moduł radiowy układu sterującego oraz moduł radiowy czujników oblodzenia połączony jest bezprzewodowo z modułem radiowym układu załączającego styczniki. Styczniki połączone są z kondensatorami o różnej pojemności. Kondensatory zasilane są napięciem zmiennym 230 V.

System przeciwoblodzeniowy energetycznej instalacji trakcyjnej powoduje zasilenie trakcji elektrycznej napięciem zmiennym o wysokiej częstotliwości powyżej 1 GHz. Taka częstotliwość powoduje, iż prąd płynący w przewodzie elektrycznym nie jest jednorodny. Elektrony wówczas płyną po zePL 226 151 B1 wnętrznej części przekroju poprzecznego przewodnika, a środek jest wolny od elektronów (zjawisko naskórkowości). Tak wiec, przesyłając prąd wysokiej częstotliwości przez przewodnik nagrzewamy tylko jego zewnętrzną powierzchnię zostawiając środek zimny. Podgrzewanie tylko zewnętrznej warstwy zmniejsza moc potrzebną do uniemożliwienia osadzania się szadzi lub do jej stopienia.

Obciążanie tylko zewnętrznej warstwy pozostawia nieobciążony środek. Wówczas środek może przewodzić prąd elektryczny dla pantografu, co pozwala na jednoczesną pracę zespołu trakcyjnego (lokomotywy elektrycznej, tramwaju, czy trolejbusu) oraz systemu przeciwoblodzeniowego energetycznej instalacji trakcyjnej.

Modułowość układu umożliwia jego montaż na odcinkach o różnej długości, pomiar grubości oblodzenia dokonywana od dołu przewodu, co daje bardzo dokładne wyniki pomiaru. Ponadto, do odladzania odcinków rzędu 10-20 km potrzebna jest nie duża moc prądów wysokiej częstotliwości.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy systemu przeciwoblodzeniowego, a fig. 2 - schemat uproszczony systemu przeciwoblodzeniowego.

System przeciwoblodzeniowy energetycznej instalacji trakcyjnej składa się przestrajanego generatora 1 napięcia zmiennego wysokiej częstotliwości od 1GHz do 10 GHz z regulowaną wartością napięcia, który połączony jest z układem zabezpieczającym przed wysokim napięciem 2, układem sterującym 3 i szyną 4. Układ zabezpieczający przed wysokim napięciem 2 połączony jest z układem sterującym 3 oraz przewodem jezdnym 5. Układ zabezpieczający przed wysokim napięciem 2 zbudowany jest z kondensatorów o regulowanej pojemności sterowanej z układu 3. Do układu sterującego 3 podłączony jest moduł radiowy 6 układu sterującego wraz z anteną. Moduł radiowy 6 układu sterującego połączony jest drogą bezprzewodową z co najmniej jednym modułem radiowym 7 czujników oblodzenia 8. Czujniki oblodzenia 8 zostały wykonane w oparciu o technikę laserową (pomiar odległości i przerywanie wiązki). Pomiar grubości warstwy lodu, odbywa się od spodu „grzybkowego” przewodu trakcyjnego. Monitorowanie grubości lodu jest zdublowane w sposób wizualny za pomocą kamer zainstalowanych na słupach trakcyjnych (ta część systemu nie wchodzi w zakres zgłoszenia i dlatego nie została przedstawiona na fig. 1). Zasilanie czujników oblodzenia 8 jest z akumulatorków doładowywanych ogniwem fotowoltaicznym. Zasięgi radiowe poszczególnych modułów radiowych czujników oblodzenia 7 zachodzą na siebie. Odróżnianie transmisji odbywa się poprzez zastosowanie modulacji CDMA. Moduł radiowy 6 układu sterującego oraz moduł radiowy 7 czujników oblodzenia połączony jest bezprzewodowo z modułem radiowym 9 układu załączającego styczniki 10. Układy załączające kondensatory połączone są z kondensatorami 11 o różnej pojemności. Układ 10 zasilany jest napięciem zmiennym 230 V.

Według schematu uproszczonego zamieszczonego na fig. 2 system zasilany jest z generatora 1 napięciem zmiennym wysokiej częstotliwości, od 1 GHz do 10 GHz o wartość zależną od odcinka, na którym chcemy dokonać odladzania przewodów jezdnych. Kondensator 10 odseparowuje napięcie stałe, np. 3000 V dla trakcji kolejowej od napięcia zmiennego wysokiej częstotliwości, tj. powyżej 1 GHz. Napięcie zmienne wysokiej częstotliwości będzie miało wartość zależną od odcinka, na którym chcemy dokonać odladzania przewodów jezdnych. Kondensator 10 i stycznik 11 są połączone pomiędzy szyny 4 i przewód jezdny 5. Szyny 4 pełnią rolę przewodu powrotnego. Kondensator 10 i stycznik 11 można zainstalować w kilku miejscach przewodu jezdnego tej samej linii, dzieląc linię na segmenty. Załączanie poszczególnych styczników powoduje regulację długości odcinków, na których dokonujemy odladzania przewodu jezdnego.

Pojemność C kondensatora 11 jest tak dobrana, aby wraz z indukcyjnością L linii (przewodu trakcyjnego i szyn) tworzył rezonans prądowy. Wówczas całkowita moc pozorna będzie wydzielała się na rezystancji przewodu jezdnego i szyn, jako moc czynna: S = P. Taki dobór pozwoli na obniżenie mocy źródła napięcia wysokiej częstotliwości. Przy indukcyjności L przewodu jezdnego rzędu pojedynczych mH pojemność C kondensatora potrzebnego do włączenia w układ wynosić będzie rzędu nF. Taka pojemność przy maksymalnym napięciu znamionowym sieci trakcyjnej wynoszącej 3000 V (napięcie stałe) spowoduje zastosowanie kondensatorów o bardzo małych mocach, rzędu kilku Var, a więc o niewielkim koszcie.

Do odladzania przewodów trakcyjnych jest wykorzystane zjawisko naskórkowości. Jako separator napięcia stałego (3000 V) i wysokiej częstotliwości jest wykorzystywany kondensator 11, który wraz z indukcyjnością linii L_PT tworzy obwód rezonansowy (rezonans prądów). Przy pomocy styczników 10 regulowana jest długość odladzanych odcinków.

Claims (2)

1. System przeciwoblodzeniowy energetycznej instalacji trakcyjnej, znamienny tym, że składa się przestrajanego generatora (1) napięcia zmiennego wysokiej częstotliwości od 1 GHz do 10 GHz z regulowaną wartością napięcia, który połączony jest z układem (2) zabezpieczającym przed wysokim napięciem, układem sterującym (3) i szyną (4), a układ (2) zabezpieczający przed wysokim napięciem połączony jest z układem sterującym (3) oraz przewodem jezdnym (5), przy czym do układu sterującego (3) podłączony jest moduł radiowy (6) układu sterującego wraz z anteną, a ten połączony jest drogą bezprzewodową z co najmniej jednym modułem radiowym (7) czujników oblodzenia (8), natomiast moduł radiowy (6) układu sterującego oraz moduł radiowy (7) czujników oblodzenia (8) połączony jest bezprzewodowo z modułem radiowym (9) układu załączającego styczniki (10), które połączone są z kondensatorami (11) o różnej pojemności zasilane napięciem zmiennym 230 V.

2. System przeciwoblodzeniowy energetycznej instalacji trakcyjnej według zastrz. 1, znamienny tym, że układ (2) zabezpieczający przed wysokim napięciem zbudowany jest z kondensatorów o regulowanej pojemności sterowanej z układu (3).