電動鐵路車輛和特別用於這種車輛的供電機組的製作方法

2023-05-06 20:42:11 2

專利名稱：電動鐵路車輛和特別用於這種車輛的供電機組的製作方法
技術領域：
本發明在於裝有一個供電機組的一種電動鐵路車輛。
按照通常的方式，這樣的電動車輛可以是一個火車頭，亦可是一節車廂，它是由一個能供給交流電壓的懸掛式電纜供電的。
本發明特別在於的這種車輛上裝有如變壓器這樣的負載，還裝有從懸掛式電纜對這種負載供電的供電機組。按照傳統方式，這種供電機組中具有一個電力交換器，例如一個斷路器，用來保護鐵路車輛的高壓交流電路。
因此，就有某些與這樣的布置相聯繫的缺陷。實際上，考察電流的暫態過程，電流隨時間的梯度太大。作為例子，在50Hz和25kV交流工作電壓的情況下，約在5ns時間內生成300A的電流，這就生成了危險的衝擊擾動，或者至少影響接近電子交換裝置附近的設備的良好運行，例如車載控制電子裝置的運行。
為了削除這些缺陷，本發明推薦實現一種裝有供電機組的電動鐵路車輛，這種供電機組僅引入很弱的電磁擾動，以保證裝在車輛上的各種電力設備和電子設備的完好無損。
為此，本發明的一個目的在於提供用懸掛式電纜供電的電動鐵路車輛，特別是一個電動車頭。述及的車輛中有一個負載，特別是一個變壓器，還有一個由這個懸掛式電纜通過一個電力交換裝置，特別是一個斷路器向這個負載供電的機組，其特徵在於述及的供電機組中有一個將由交換而產生的擾動衰減的鐵氧體型的衰減裝置。
根據本發明的一個有利的特徵，述及的擾動衰減裝置是安裝在懸掛式電纜與電力交換裝置之間。
這種對由於電力交換而引起的擾動的衰減裝置是已知的，例如專利JP-A-1 086 425和JP-A-4 322 024。在這些文獻中，這樣的擾動衰減裝置包括由鐵氧體材料製成的圓柱形，置於電力交換器的下遊的電線的外圍，這個鐵氧體圓柱形構成一個電感，其電感值隨電流的頻率的增大而增大。
由於在將懸掛式電纜和繼電器連接起來的導體的附近有金屬構件，這便在鐵路車輛的車蓋處形成寄生電容，處在交換器的上遊，這便在這個上遊的寄生電容與所謂的交換器間構成一個電磁波導，建立起一條傳輸線。
在將交換器接通時，便在這個裝置的兩個電極間施加一個電壓，在這個裝置上便有一個電孤。在某些情況下，特別是電力交換器是基於在真空泡(ampoule sous vide)的交換器時，這種電弧就特別不穩定，就在相應的再點火後經歷多次中斷。電弧的不穩定性相當於多次的斷開接著再合上，這便生成了電磁擾動發生大的電流變化，易於生成災害或影響在電力交換器附近的設備的良好的運行。
由於電動鐵路車輛的電的頻率、電流強度和電壓，所以如在上面所提到的日本專利中的一樣，將交換中所產生的鐵氧體型擾動衰減裝置都是用於其電阻部分，而非是電感部分。安裝一個這樣的擾動衰減裝置就能夠減少由於繼電器閉合而生成的大的電流梯度 ，特別是將這種裝置安裝在交換器的上遊時。這時，不是改變電流的振蕩，而是通過減小 的值阻礙了電流的建立，而該dI/dT則對於生成振蕩是非常敏感的。
根據本發明，不是尋求濾去交換器中所予計要生成的大的電流梯度 ，而是要通過影響在真空泡中的電弧的物理建立迫使交換器較慢地通斷。
本發明的目的還在於一個負載的供電機組，特別是用於鐵路車輛的供電機組，所述的負載特別為一變壓器，通過一個電力交換器，特別是一個斷電器從一個能源對它供電。這個機組中有一個將由於交換而產生的擾動進行衰減的鐵氧體型的衰減裝置，其特徵在於述及的擾動衰減裝置是安裝在能源與電力交換器之間。
下面，僅僅作為示例，而不是進行限制，參照附圖對本發明進行描述，附圖是
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圖1為一原理圖，示出根據本發明的電動鐵路車輛，其中有一供電機組。
-圖2是一側視圖，特別示出圖1所示的供電機中的一些部件；-圖3是屬於在圖1和圖2中示出的供電機組中的對由於交換而產生的擾動進行衰減的衰減裝置；-圖4是圖3所示的擾動衰減裝置的部分縱剖圖；-圖5是圖1所示的電力交換器及其電力環境的實驗室實驗模擬示意圖；而-圖6、7和8示出相對於圖5所模擬的電力交換器來說的上遊電壓、下遊電壓以及電流的波形圖，分別對應於沒有裝擾動衰減器、在電力交換器的下遊裝有擾動衰減器、在電力交換器的上遊裝有擾動衰減器。
圖1示出一個電動鐵路車輛，例如一個火車頭，其整體用2標出，適於在與地6相連的軌道4上運行。
這個火車頭2上裝有一個車載變壓器8，用懸掛式電纜10通過一個受電弓12供電。這個懸掛式電纜10構成一個能源，而這個變壓器和火車頭的電機(圖中未畫出)相連。
在這個懸掛式電纜10和這個變壓器8之間有一個電力交換器14及對交換生成的擾動的衰減器16，所述的電力交換器14是一個斷路器，而在後面將做更為詳細的描述。真空泡式斷路器是火車頭的高壓交流電的耦合和保護交換裝置。述及的衰減器16是裝在懸掛式電纜10和斷路器14之間，即裝在後者的上遊。
火車頭2車頂上的電器組，特別是在火車頭頂蓋上的設備間的連接電線都有寄生電容和寄生電感，構成RLC型電路，在斷路器開斷時就被激勵。
在圖1中，寄生電容分別用上遊等效電容18和下遊等效電容20示意性地示出，上下遊的參照點為斷路器14。
在圖1中，寄生電感分別用上遊連接線圈22和下遊連接線圈24表示，上下遊的參照點仍為斷路器14。
插入衰減裝置16可以和火車頭的車頂構成一條車上遊電容18和斷路器14間以火車頭工作頻率的一條傳輸線。這條傳輸線不同於在電容18與斷路器14之間的負載傳輸，這減少了真空放電的可能的電荷量，也減少了電流隨時間的變化量。
火車頭的車廂在圖1中用LC等效電路畫出，用標號26標出，表示火車頭的金屬結構的共振。
圖2更為詳細地示出了斷路器14，這個斷路器例如是按照ALSTOM TRANSPORT公司以ACB25-10標號商品化的斷路器，按照已知的方式，這個斷路器是安裝在火車頭2的車頂上。
述及的斷路器是座在底盤28上，其操縱是通過一個轉動盤30進行的。由底盤28伸展開的避雷裝置32和斷路器14相連，所有這些部件都是傳統的。
擾動衰減器16是安裝在一個絕緣子34上，絕緣子34本身是壓在底盤28上。這個擾動衰減器16是由環繞一個導電元件36構成的，在現在情況下，為一銅管，它有兩個連接，分別是上遊連接38和下遊連接40。上遊連接38是通過一些圖中未畫的裝置和懸掛式電纜10連接，而下遊接頭40是通過一個多股電纜形的電連接42和前述的斷路器14相連。
正如在圖4中所特別顯示的，述及的擾動衰減裝置16有多個環狀鐵氧體元件44、46，在後面將對這些元件作更為詳細的描述。這些元件44、46的全部都裝在圓柱形的絕緣盒48內，圓柱體的整體在其兩端用玻璃纖維、樹脂或環氧樹脂封起來。這個盒48是通過兩個卡箍52固定在U形底座50上，而底座50本身是固定在絕緣子34的頂端。
如在圖4中更為清楚的示出的那樣，所有的鐵氧體元件都是成對同軸地沿銅管36堆放的。每一對鐵氧體元件是由一個放在銅管36外周的低頻元件44和一個環狀高頻元件46構成，環狀高頻元件46的內環接近於低頻元件44。
述及的盒48中裝有十對分別高頻和低頻的鐵氧體元件，而在圖4中只將44、46和44A、46A這兩對標了出來。
下面說明高頻和低頻鐵氧體的概念。通常，鐵氧體元件是用其相對磁導率來表徵的，分另別是實部μ』，虛部μ」。而μ」隨著頻率的增加而在稱為截止頻率處達到最大，根據傳統，截止頻率用fc表示，然後隨著頻率增加而迅速下降。在本說明中，鐵氧體元件44和44A都稱為低頻，是因為它們的截止頻率都較稱為高頻的元件46、46A的截止頻率為低。高頻鐵氧體的截止頻率例如在5到20MHz之間，而低頻鐵本元件的截止頻率在0.5到5MHz之間。
低頻鐵氧體元件例如由Thomson CSF-LCC公司標號B1-T-63000A商品化的元件，而高頻鐵氧體元件有如飛利浦元件公司T 107/65/253F4標號商品化的元件。
將一個機械保護片54插入相對的低頻鐵氧體和高頻鐵氧體44、46的表面之間，這樣的保護片例如是用聚氨脂類的樹脂製成，由LVA公司以DAMIVAL 13518AW00標號商品化的。還有一個片56，和片54類似，插在高頻元件46的外圍與盒48之間。
本發明可以實現前面敘述的目標。
事實上，為裝備在鐵路車輛上的供電機組安裝上一個鐵氧體型的擾動衰減裝置，就能顯著地衰減鐵器車輛上的各種電力設備和電子設備所承受的擾動，當在將這個擾動衰減裝置安裝在電力交換器的上遊時，其衰減作用就特別顯著。
圖5示出了在實驗室所實現的實驗原理圖，這個實驗圖簡單地產生了在圖1所示的機車2的頂上發生的現象。
這個實驗所用的斷路器14是以工業結構所用的，這個斷路器的等效電路的構成是由兩個寄生電容上遊的為14A，下遊的為14B，分別為40PF和60PF；一個內電極電容14C，其電容值是可變的；以及兩個連接線圈14D和14E，其電感值為0.4μH。
述及的斷路器14是由直流電源58供電的，最大為20kV和1mA。負載電阻60的阻值為10MΩ，置於電源38和斷路器14之間。圖5的實驗電路圖中還取上遊等效電容18的值為2nF，下遊連接線圈24的值為25μH。
在62處測量斷路器14的上遊的瞬間電壓，後面將這個電壓稱為「上遊電壓」，還在64處測量斷路器下遊的電壓，或叫「下遊電壓」，最後在電感線圈24的下遊66處測量電流。
電容18一旦充電之後，便將斷路器14閉合。實驗的第一階段是沒有將擾動衰減器連於交換器，相應的結果記在圖6中，然後的實驗是在將擾動衰減裝置16按照圖3和圖4所描述的那樣和斷路器14連接。當將這個裝置16裝在斷路器14的下遊，這如在圖5中虛線所示的那樣，相應的結果畫在圖7中。圖8對應於將幹擾衰減器置於斷路器14的上遊時的實驗結果，即根據本發明的，如在圖5中點畫線所示的那樣的實驗結果。
在圖6至圖8中，橫坐標為時間，標度是20nS/格，縱坐標從上到下為上遊電壓，在圖6、7和8中分別用72A、72B和72C標出，然後是下遊電壓，在圖6、7和8中用74A、74B和74C標出；最後是斷路器內部的電流在圖6、7和8中用76A、76B和76C標出。
上遊電壓72的標度為2000伏特/格，下遊電壓74的標度為1000伏特/格，而電流76的標度為4A/格。
參見圖6可以看到，在接通之前電流76A為零，然後閉合斷路器，產生一個不穩定的電弧，在此作用下電流76A在78處上升，這對應於上遊電壓72A和下遊電流74A相應的上升沿80和82。然後電流的曲線非常不規則，即其值升而後降，直到在84處達到其初始值零，這使上遊電壓72A和下遊電壓74A在86處和88處都有大的變化，這是和電弧的相繼的中止和再觸發相聯繫的。
電流76A就表現為正弦形，這是和圖5中的LC電路18、24的共振相連繫的，然後在90處過度到初始值零，這使上遊電壓72A和下遊電壓74A在92處和94處有兩個附加變化。
現在參見圖7，看到曲線76B較圖6中的曲線76A為規則。因此，可看到電流隨時間的變化，特別是在96處，因為閉合斷路器而使電流猛烈增加，這導致在98和100處上遊電壓72B和下遊電壓74B的上升沿。於是就有強的電流梯度和電壓梯度，這便導致了對車載電子設備的幹擾。
最後參看圖8，這個圖對應於擾動衰減裝置16裝在斷路器14的上遊，電流76C的曲線較在將這個幹擾衰減裝置16裝在斷路器14的下遊時得到的曲線76B更為規則，只有相對於下遊電壓74C的上升沿102處依然顯著。
比較圖6至圖8可以得出使用擾動衰減裝置16可以得到的電流76和上遊電壓72及下遊電壓74較沒有衰減裝置16時規則，特別是將裝置16安裝在斷路器14的上遊這種情況下。這有特別的好處，因為這可以減少車頂電路和火車頭之間的共振。
使用多個鐵氧體元件也是有好處的。事實上，這些鐵氧體元件在電流增加時逐漸飽和。使用多個鐵氧體元件，其磁導率μ」相加在一起，使得裝有這些鐵氧體元件的擾動消除裝置具有滿意的效力，即使大的電流值也如是。
將鐵氧體元件分成對，其中每一對是由具有不同截止頻率的元件構成的，這也是有好處的，這使得在閉合斷路器時生成的所有頻率得到最佳的掃描。事實上，隨著頻率的增加，首先是低頻鐵氧體元件起作用，然後是高頻鐵氧體元件對於高頻起作用。
將環狀鐵氧體元件的一個堆砌到另一個裡面，這樣使用便使得擾動消除裝置作為一個緊湊的整體，將高頻鐵氧體元件置於低頻鐵氧體元件的外圍是有好處的，由於高頻元件在相對弱的電流值時就得到飽和，而低頻元件對於更大的電流值才飽和。按照這樣的布局，高頻元件布局在距中心導體有一定的距離，這就使得它承受到的磁場較小，這使得產生飽和的機會很小。
上面的描述是參照一個火車頭做出的，而本發明還可用於各類電動鐵路車輛，例如動力車廂、機動車輛或車廂。
權利要求
1．電動鐵路車輛，特別是電動火車頭(2)，是用懸掛式電纜(10)供電的，述及的車輛中有一個負載，特別為一變壓器(8)，和一個通過一個電力交換器(14)，特別為一斷路器，從述及的懸掛式電纜(10)對負載供電的供電機組，其特徵在於在述及的供電機組中有一個對由交換而產生的擾動進行衰減的鐵氧體擾動衰減裝置(16)。
2．根據權利要求1的車輛，其特徵在於述及的擾動衰減裝置(16)是裝在懸掛式電纜(10)和電力交換器(14)之間。
3．根據權利要求1或2的車輛，其特徵在於述及的擾動衰減裝置(16)中有多個鐵氧體元件(44、46、44A、46A)，環繞著連接上遊的懸掛式電纜(10)和下遊的電力交換器(14)之間的導電線(36)。
4．根據權利要求3的車輛，其特徵在於述及的鐵氧體元件都是成相繼的對(44、46,44A,46A)沿軸向分布的，其中每一對中有一個高頻鐵氧體元件(46、46A)和與之相連繫的低頻鐵氧體元件(44、44A)，高頻鐵氧體元件的截止頻率要高於低頻鐵氧化元件的截止頻率。
5．根據權利要求4的車輛，其特徵在於述及的高頻鐵氧體元件(46、46A)的截止頻率在5到20MHz之間，最好在7到10MHz之間，而述及的低頻鐵氧體元件(44、44A)的截止頻率在0.5到5MHz之間，最好在0.8到2MHz之間。
6．根據權利要求4或5的車輛，其特徵在於述及的擾動衰減器中具有的鐵氧體元件(44,46；44A,46A)的對數在2到20對之間，最好在5到12對之間。
7．根據權利要求4至6中任意一條的車輛，其特徵在於每對鐵氧體元件(44、46；44A、46A)中的兩個都是環狀的，且一個套在另一個裡面，述及的高頻鐵氧體元件(46、46A)安放在低頻鐵氧體(44、44A)的外圍。
8．一種通過一個電力交換器(14)，特別是一個斷路器從一個能源(10)向一個負載，特別是一個變壓器(8)供電的供電機組，特別用於電動鐵路車輛的供電機組，其中有一個對由於交換而產生的擾動進行衰減的鐵氧體擾動衰減裝置(16)，特徵在於述及的擾動衰減裝置(16)是裝在能源(10)和電力交換器(14)之間。
全文摘要
這個機組可以通過一個電力交換器(14),特別是一個斷路器,從一個能源(10)向一個負載,特別是一個變壓器(8)供電,這個機組中有一個對因交換而產生的擾動進行衰減的鐵氧體擾動衰減裝置(16)。述及的衰減裝置(16)是安裝在能源(10)和交換裝置(14)之間,這機組顯著降低了擾動的強度。
文檔編號H01H33/16GK1315047SQ9980653
公開日2001年9月26日 申請日期1999年6月28日 優先權日1998年6月29日
發明者吉恩-馬利·阿勞依, 阿萊恩·基伯特, 吉恩·派洛爾, 維克託·薩巴特 申請人:阿爾斯託姆法國公司