PL226151B1

PL226151B1 - Anti-icing system for electric traction

Info

Publication number: PL226151B1
Application number: PL408897A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Lange; Seweryn Lipiński; Seweryn Lipinski; Zenon Syroka
Original assignee: Univ Warmińsko Mazurski W Olsztynie
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2017-06-30
Also published as: PL408897A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

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.The subject of the invention is the anti-icing system of the electric traction installation, which is designed to prevent the formation of icing on electric traction contact wires or to remove it in the shortest possible time and with the least economic means.

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.Rime is a deposit of snow or ice on an electrical wire. It is most often formed at a temperature of -5 ° C. In contact (traction) conductors, rime not only mechanically loads the traction conductors, but also prevents the use of the basic function of transmitting electric current from the conductor to the train pantograph. As a result of the rime, the depots of electric trains (locomotives), trams and trolleybuses cannot run. First, all ice and snow deposits must be mechanically removed from the contact wire so that the pantograph can make galvanic contact with the contact wire. In the case of an extensive traction network, the removal of rime may take several or even several dozen hours. During this time, all electric trains, trams and trolleybuses are closed for traffic.

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.In order to prevent the formation of rime or to remove it from the contact wire (traction) without mechanical influence, it should be heated to a temperature above 0 ° C. Heating the entire contact wire with a cross-section of 100 mm ² for trolleybuses and trams and 150 mm ² for electric trains by 5-10 degrees would result in high losses of electricity, especially over a long distance, such as in the case of electric traction of several hundred kilometers. Then the traction system should be supplied with a DC voltage much lower than under normal operating conditions (3000 V DC for the railway traction network) and a short circuit in the appropriate places in the network should be made so that the short-circuit current flowing in the conductors had an appropriate value and did not damage the conductors themselves. Thus, such a solution is economically unprofitable and difficult to implement for technical reasons. Another problem would be the necessity to stop the operation of multiple units, as a result of supplying them with a voltage much lower than the rated voltage.

Znane są z opisów wynalazków i wzorów użytkowych poniższe rozwiązania, które dotyczą urządzeń, systemów, układów do odladzania przewodów.The following solutions are known from the descriptions of inventions and utility models, which relate to devices, systems and systems for de-icing conductors.

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 202 424 080 (U) - 2012-09-05 "Alternating-current de-icing system for traction network of electrified railway" - A system for de-icing an electrified railway traction network with the use of alternating current describes a system that uses reduced traction voltage by means of a transformer . The cables are de-iced with the help of mains frequency currents which, flowing through the traction cables, heat them up.

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 103 490 645 (A) - 2014-01-01 "Single-phase electrified railway contact net direct-current deicing device and system" - The system for de-icing electrified railway networks using direct current consists in obtaining direct current from power rectifiers powered from one phase alternating voltage. The cables are de-iced with the use of direct current which heats them while flowing through the traction cables.

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.CN 203 128 975 (U) - 2013-08-14 'Automatic microwave deicing system for bridge pavement'. In the automatic microwave system for de-icing the bridge sidewalk, the microwave technique was used, but the frequency ranges were not given. Temperature sensors and microwave heaters were used, but the relationship between temperature and icing was not stated.

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.According to the invention, the anti-icing system of the traction power installation is characterized by the fact that it consists of a tunable high-frequency alternating voltage generator from 1 GHz to 10 GHz with an adjustable voltage value, which is connected with a high-voltage protection system made of capacitors with adjustable capacity, control and bus. The high voltage protection system is connected to the control system and the contact wire. A radio module of the control system with an antenna is connected to the control system. The radio module of the control system is connected by wireless means to at least one radio module of the laser icing sensors. The radio module of the control system and the radio module of the icing sensors are connected wirelessly with the radio module of the system that activates the contactors. The contactors are connected with capacitors of different capacities. Capacitors are powered by 230 V alternating voltage.

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.The anti-icing system of the power traction installation supplies the electric traction with high-frequency alternating voltage above 1 GHz. Such a frequency causes that the current flowing in the electric wire is not uniform. The electrons then flow along the outer part of the conductor's cross-section, and the center is free of electrons (skin effect). Thus, by sending high-frequency current through the conductor, we only heat its outer surface, leaving the center cold. Heating only the outer layer reduces the power needed to prevent the rime from settling or to melt it.

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.Loading only the outer layer leaves the center unloaded. Then, the medium can conduct electricity for the pantograph, which allows for the simultaneous operation of the trainset (electric locomotive, tram or trolleybus) and the anti-icing system of the power traction installation.

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.The modularity of the system allows its assembly on sections of various lengths, the measurement of the icing thickness is made from the bottom of the cable, which gives very accurate measurement results. In addition, low-frequency power is required for de-icing of 10-20 km.

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.The subject of the invention will be presented in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of the anti-icing system, and Fig. 2 - a simplified diagram of the anti-icing system.

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.The anti-icing system of the traction power system consists of a tunable generator 1 of a high frequency alternating voltage from 1 GHz to 10 GHz with an adjustable voltage value, which is connected to the high voltage protection system 2, the control system 3 and the rail 4. The high voltage protection system 2 is connected with a control system 3 and a contact wire 5. The high voltage protection system 2 consists of capacitors with adjustable capacitance controlled from the system 3. The radio module 6 of the control system with an antenna is connected to the control system 3. The radio module 6 of the control system is connected by wireless means to at least one radio module 7 of the icing sensors 8. The icing sensors 8 were made based on the laser technique (distance measurement and beam interruption). The thickness of the ice layer is measured from the bottom of the "mushroom" traction cable. The monitoring of the ice thickness is visually duplicated by cameras installed on the traction poles (this part of the system does not fall within the scope of the application and is therefore not shown in Figure 1). The icing sensors 8 are powered by batteries recharged by a photovoltaic cell. The radio ranges of the individual radio icing detector modules 7 overlap. Transmission discrimination is accomplished through the use of CDMA modulation. The radio module 6 of the control system and the radio module 7 of the icing detectors are connected wirelessly with the radio module 9 of the circuit activating the contactors 10. The circuits activating the capacitors are connected with capacitors 11 of various capacities. The system 10 is powered by an alternating voltage of 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.According to the simplified diagram shown in Fig. 2, the system is supplied from the generator 1 with high-frequency alternating voltage, from 1 GHz to 10 GHz, with a value depending on the section on which we want to de-icing the contact wires. The capacitor 10 separates the DC voltage, e.g. 3000 V for railroad traction, from the high frequency AC voltage, i.e. above 1 GHz. The high-frequency alternating voltage will have a value depending on the section on which we want to de-icing the contact wires. The capacitor 10 and the contactor 11 are connected between the rails 4 and the contact wire 5. The rails 4 act as the return conductor. The capacitor 10 and the contactor 11 can be installed at several locations on the contact wire of the same line, dividing the line into segments. Switching on individual contactors adjusts the length of the sections where the contact wire is de-iced.

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.The capacitance C of the capacitor 11 is chosen such that it forms a current resonance together with the inductance L of the line (the conductor and the rails). Then the total apparent power will be generated on the contact wire and rails resistance as active power: S = P. Such selection will allow to lower the power of the high-frequency voltage source. With the contact wire inductance L of the order of mH, the capacitance C of the capacitor needed to be included in the system will be in the order of nF. Such a capacity at the maximum rated voltage of the overhead line of 3000 V (direct voltage) will result in the use of capacitors with very low powers, on the order of a few Var, and therefore with a low cost.

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.The skin effect is used to de-icing the traction cables. A capacitor 11 is used as a DC voltage (3000 V) and high frequency separator, which together with the line inductance L _PT forms a resonant circuit (current resonance). The length of the de-icing sections is regulated by means of the contactors 10.

Claims

1. The anti-icing system of the traction power system, characterized by the fact that it consists of a tunable generator (1) of high-frequency alternating voltage from 1 GHz to 10 GHz with an adjustable voltage value, which is connected with the high voltage protection circuit (2), the control circuit ( 3) and rail (4), and the high voltage protection system (2) is connected with the control system (3) and the contact wire (5), and the control system radio module (6) is connected to the control system (3) with with the antenna, and this is connected wirelessly with at least one radio module (7) of the icing sensors (8), while the radio module (6) of the control system and the radio module (7) of the icing sensors (8) are connected wirelessly with the radio module ( 9) of the system that activates the contactors (10), which are connected with capacitors (11) of various capacities, supplied with 230 V alternating voltage.

2. The anti-icing system of the electric traction installation according to claim 1. A device according to claim 1, characterized in that the high voltage protection circuit (2) consists of capacitors with adjustable capacitance controlled from the circuit (3).