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