RU2564769C1

RU2564769C1 - Способ очистки от обледенения проводов контактной сети железной дороги посредством электромагнитного излучения

Info

Publication number: RU2564769C1
Application number: RU2014121747/02A
Authority: RU
Inventors: Вильям Ильич Каганов
Original assignee: Вильям Ильич Каганов
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2015-10-10

Abstract

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу очистки от обледенения проводов контактной сети железной дороги посредством электромагнитного излучения. В способе используют группу микроволновых нагревателей, включающих магнетроны с частотой 2450 МГц и резонаторы открытого типа, которые размещают перед пантографом на крыше электровоза, при этом каждый из нагревателей состоит из двух сферических металлических отражателей, и осуществляют нагрев участка контактного провода, расположенного между отражателями, до температуры +(30…40)°C. В результате воздействия микроволнового излучения ледяная пленка, покрывающая контактный провод, нагревается и тает. Каждый электровоз самостоятельно очищает контактный провод от ледяной пленки, в результате чего обеспечиваются нормальные условия работы для пантографа и исключается быстрое изнашивание графитовых токоприемников. 5 ил.

Description

Одной из серьезных причин нарушения нормального функционирования железнодорожного транспорта во всем мире является обледенение проводов контактной сети. Образование ледяной пленки разной толщины на проводах происходит при определенных метеорологических условиях (температуре и влажности воздуха, направлении и скорости ветра). В результате обледенения создаются дополнительные механические нагрузки, вызывающие обрыв проводов, а по причине ухудшения качества токосъема, сопровождающегося отрывами токоприемника от контактного провода, возникают дуговые разряды с большими токами, обусловливающие возможность пережога провода и повреждения дорогостоящих графитовых токоприемников и их частую замену. Подобные явления возникают даже при образовании на проводах тонкого ледяного слоя в виде инея.

Для очистки от обледенения провода контактной сети их нагревают, пропуская по ним электрический ток от тяговой подстанции. Указанную операцию выполняют в некоторых случаях с прекращением движения поездов на электрической тяге по данному участку.

Экспериментальные исследования, проведенные на высокоскоростной линии Париж - Лион, показали, что для испарения воды на контактном проводе последний следует нагревать до температуры +10°C в течение 15 минут. В процессе эксперимента от тяговой электростанции напряжением 26 кВ по контактному проводу пропускался ток более 600 А, а мощность потребления составила 16 МВт при удельной мощности 600 Вт/м. (см. «Система борьбы с обледенением проводов контактной сети »- ЖДМ-online»- 11-2002 [1]).

Другим способом защиты контактной сети от гололеда является применение специальной жидкости-атифриза в рамках системы ProFil (Швейцария). В сухую погоду такая антиобледенительная защита эффективна всего от 5 до 7 дней.

Наиболее близким к заявляемому способу по защите контактных линий электропередачи от гололеда является техническое решение, описанное в патенте РФ №2356148 «Устройство для плавки гололеда на проводах и тросах воздушных линий (варианты)» [2].

Прототип [2] характеризуется тем, что провода линий электропередачи замыкаются и по ним пропускается ток повышенной величины, плавящий гололед. Таким образом, при данном методе необходимо останавливать движение поездов, что в большинстве случаев является совершенно недопустимым.

Таким образом, можно констатировать, что эффективных методов и средств борьбы с обледенением проводов контактной сети, особенно на линиях с высокоскоростным движением, где обледенение приводит к наиболее серьезным последствиям, во всем мире не существует.

Обратимся к характеристике предлагаемого метода. Предположим, что каким-либо способом перед пантографом электровоза удавалось бы очистить контактную линию от ледяной пленки путем ее быстрого нагрева до температуры +30-40°С, что сопровождалось бы практически мгновенным таянием этой ледяной пленки (рис. 1).

Расчеты показывают, что такой нагреватель, двигаясь вдоль контактного провода впереди пантографа при скорости электровоза со скоростью 36 км/ч или 10 м/с, должен каждую секунду расходовать энергию в 20 кДж.

При этом нагреваемый участок контактного провода полностью освободится от ледяной пленки и графитовый токоприемник будет соприкасаться с проводом, свободным ото льда или жесткого инея. Требуемую энергию в сторону контактного провода для практически мгновенного уничтожения на нем тонкой ледяной пленки можно передать с помощью микроволнового излучения мощностью в 20 кВт.

Рассмотрим эту проблему более подробно. Обратимся сначала к устройству бытовой микроволновой печи, схематичное устройство которой показано на рис. 2, (см., например, Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ энергетика, Наука, 2000 г., [3]). В ней нагрев предметов осуществляется путем их размещения внутри камеры - прямоугольного резонатора, в котором возбуждается СВЧ электромагнитное поле с помощью магнетрона непрерывного излучения сигнала частотой 2450 МГц. Именно эта частота является резонансной для молекул воды, при которой происходит наиболее эффективное преобразование электромагнитной энергии в тепло, что и приводит к быстрому нагреву воды.

Заменим теперь прямоугольный резонатор открытым со сферическими металлическими отражателями (См., например, Л.А. Вайнштейн. Открытые резонаторы и открытые волноводы, Советское радио, 1961 г. [4]). Разместим резонаторы на крыше специально оборудованного локомотива впереди токоприемника таким образом, чтобы контактный провод все время находился между отражателями в центре электромагнитного поля. Магнетрон частотой 2450 МГц может находиться в специальном отсеке и быть связанным с одним из отражателей коаксиальным кабелем (рис. 3).

Примем во внимание, что провод по отношению к движущемуся локомотиву непрерывно меняет в некоторых пределах свое расположение в пространстве, что требует правильного выбора размещения отражателей, расстояние между которыми должно равняться целому числу полуволн (λ/2=6,12 см) для установления внутри резонатора режима стоячей волны.

Таким образом, с помощью модернизированного типа микроволнового нагревателя можно реализовать идею по практически мгновенному нагреву участка контактного провода и ликвидации на нем ледяной пленки.

Для увеличения времени нагрева каждого участка контактного провода с учетом скорости движения локомотива на его крыше следует расположить группу микроволновых нагревателей. Каждый из нагревателей включает магнетрон частотой 2450 МГц и резонатор открытого типа, состоящий из двух сферических металлических отражателей, между которыми перемещается нагреваемый контактный провод. Число таких нагревателей (магнетронов) частотой 2450 МГц мощностью до 8-10 кВт может равняться от 5 до 10 в зависимости от скорости движения электровоза и метеорологических условий (рис. 4).

В результате воздействия микроволнового излучения ледяная пленка, покрывающая контактный провод, быстро нагревается и тает. Таким образом, каждый электровоз самостоятельно очищает контактный провод от ледяной пленки, в результате чего обеспечиваются нормальные условия работы для пантографа и исключается быстрое изнашивание графитовых токоприемников.

Приведем результаты экспериментальной проверки предлагаемого метода уничтожения ледяной пленки на контактном проводе. Фотография лабораторной установки приведена на рис. 5. Установка включает магнетрон мощностью 800 Вт с блоком питания от серийно выпускаемой микроволновой печи и два рефлектора, в качестве которых применены наземные спутниковые сферические антенны диаметром 60 см. Банка с водой, помещенная в свободное пространство между рефлекторами, за 2 минуты при мощности магнетрона 800 Вт нагревается на 75°С, а при мощности 600 Вт - на 40°С, что примерно в два раза меньше, чем при нагреве того же количества воды при закрытом резонаторе. Следовательно, при открытом резонаторе половина излучаемой магнетроном мощности рассеивается в окружающее пространство, но вторая половина преобразуется в тепло, способствуя быстрому таянию ледяной пленки и обеспечению надежного контакта графитового токоприемника с медным контактным проводом.

Таким образом, экспериментально подтверждена возможность нагрева воды не только с помощью общепринятого закрытого резонатора, но и резонатора открытого типа, а, следовательно, подтвержден и принцип уничтожения ледяной пленки контактной сети с помощью микроволнового генератора (магнетрона) частотой 2450 МГц с резонатором открытого типа, располагаемого перед пантографом.

Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения приводятся следующие графические материалы:

Фиг. 1. Структурная схема нагрева контактного провода с помощью нагревателя, располагаемого на крыше электровоза перед пантографом, где 1 - графитовый токоприемник пантографа, 2 - контактный провод с ледяной пленкой, 3 - нагреватель, 4 - испаряющаяся вода.

Фиг. 2. Структурная схема микроволновой печи, где 5 - магнетрон, 6 - закрытый прямоугольный резонатор.

Фиг. 3. Структурная схема микроволновой печи с резонатором открытого типа, где 7 - открытый резонатор с отражателями сферической формы, 8 - ВЧ-коаксиальный кабель, 9 - область перемещения контактного провода.

Фиг. 4. Структурная схема нагрева контактного провода с помощью группы микроволновых нагревателей, располагаемых на крыше электровоза перед пантографом, где 11 - группа открытых резонаторов, 12 - группа магнетронов.

Фиг. 5. Фотография лабораторной установки с магнетроном и двумя отражателями сферической формы.

Claims

Способ очистки от обледенения проводов контактной сети железной дороги посредством электромагнитного излучения, отличающийся тем, что используют группу микроволновых нагревателей, включающих магнетроны с частотой 2450 МГц и резонаторы открытого типа, которые размещают перед пантографом на крыше электровоза, при этом каждый из нагревателей состоит из двух сферических металлических отражателей, и осуществляют нагрев участка контактного провода, расположенного между отражателями, до температуры +(30…40)°C.