ITMI960253A1 - Dispositivo di protezione contro il contatto con linea a tensione indebita per sistemi di trasporto - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: "Dispositivo di protezione contro il contatto con linea a tensione indebita per sistemi di trasporto"

Inventore: Giuseppe Vittadini

Riassunto del trovato

Dispositivo di protezione contro l'applicazione di una indebita tensione di alimentazione alle apparecchiature di un veicolo in un sistema di trasporto su rotaia. Il dispositivo comprende una camera ermetica (1), contenente un fluido dielettrico quale aria secca o SFg, e un cilindro (3) che monta un contatto (4), normalmente aperto. Il cilindro (3) ospita al suo interno una carica esplosiva (6) la cui esplosione provoca la chiusura rapida del contatto (4), realizzando un cortocircuito che determina l'apertura degli interruttori in sottostazione. L'accensione della carica (6) avviene tramite un innesco (7) e un filamento elettrico collegato ad una unità di controllo {Fig. 1).

Descrizione del trovato

La presente invenzione riguarda un dispositivo di protezione per le apparecchiature di un veicolo in un sistema di trasporto su rotaia, nell'eventualità che il veicolo venga collegato ad una linea di alimentazione non idonea, sia per il valore della tensione che per il tipo della tensione (CC o CA).

Nel trasporto su rotaia esistono sistemi di alimentazione elettrica a diversi valori di tensione. In Europa sono utilizzati ben quattro diversi sistemi di alimentazione principali, due in CC e due in CA, ed inoltre esiste un certo numero di altri sistemi con diffusione minore.

I due sistemi principali in corrente alternata erogano rispettivamente 25 kV a 50 Hz e 15 kV a una frequenza di 16 e 2/3 Hz. I due sistemi principali in corrente continua erogano rispettivamente tensioni di 3 kV e di 1,5 kV.

A causa del grande traffico di confine, avviene sempre più frequentemente che un mezzo di trazione possa trovarsi provvisoriamente sotto un sistema di alimentazione che non è quello idoneo. Se, in una tale situazione, il pantografo del veicolo rimane collegato alla linea, il sistema motore può subire gravi danni.

Tale rischio sussiste anche per i mezzi di trazione realizzati in modo da poter funzionare sotto più sistemi, qualora il collegamento alla rete di alimentazione avvenga senza che sia stata predisposta la corretta configurazione. Danni molto gravi sono stati subiti da veicoli funzionanti a 3 kV CC a seguito del collegamento ad una rete a 15 kV CA. Infatti, la tensione di prova per veicoli a 3 kV è di 12 <a 50 >Hz P<er 1111 >minuto per i circuiti a monte dell'interruttore extrarapido, e di 9 kV per i circuiti a valle di esso.

Conseguentemente, l'applicazione di una tensione di 15 kVeff conduce ad una scarica verso massa, oppure tra i capi dell'interruttore extrarapido. X veicoli moderni sono protetti da uno scaricatore ad ossidi metallici che impedisce il superamento di una tensione di cresta di il kV anche con correnti dell'ordine di quella di cortocircuito, tuttavia l'energia che può essere assorbita dallo scaricatore è estremamente limitata rispetto a quella erogabile dalla rete, per cui lo scaricatore degenera in cortocircuito dopo pochi millisecondi, provocando un arco esterno.

Tuttavia, anche un veicolo con sistema di trazione a corrente alternata, oppure predisposto per corrente alternata, subirebbe gravi danni in caso di collegamento ad una rete di alimentazione a tensione anche inferiore ma in corrente continua. Infatti, l'interruttore per corrente alternata presente nel sistema motore non sarebbe in grado di aprire il circuito del trasformatore a causa della mancanza di zeri di corrente (istanti di corrente nulla) indispensabili per il suo funzionamento.

In particolare, ad esempio, se un veicolo per 15 kV CA viene collegato ad una rete di 3 kV in CC, la corrente nel trasformatore principale cresce secondo un noto transitorio di tipo esponenziale, e molto rapidamente appena saturato il nucleo. L'interruttore, se comandato in apertura, non riesce a spegnere l'arco perchè la corrente non passa per lo zero, e in breve tempo esplode. La corrente nel trasformatore continua quindi a crescere fino a quando interviene l'apertura da parte della sottostazione, ma a questo punto sono molto probabili gravi danni permanenti a causa degli effetti dinamici della corrente di cortocircuito.

Ulteriori inconvenienti si hanno quando il passaggio da un tipo di alimentazione ad un altro deve avvenire automaticamente, poiché ogni guasto di apparecchiatura o mancato rispetto dei limiti operativi previsti, può impedire il corretto funzionamento del sistema di controllo automatico.

Scopo della presente invenzione è quello di superare le limitazioni e gli inconvenienti della tecnica anteriore, in particolare realizzando un dispositivo di protezione in grado di limitare gli effetti di una alimentazione non corretta ad una interruzione transitoria del servizio, senza danneggiamento permanente degli equipaggiamenti.

Questi scopi vengono conseguiti mediante l'invenzione che consiste in un dispositivo chiuditore per la protezione delle apparecchiature di un veicolo in un sistema di trasporto su rotaia, caratterizzato dal fatto di essere costituito da una camera ermeticamente chiusa contenente un fluido con caratteristiche dielettriche e un cilindro che monta un contatto, normalmente aperto, e dal fatto che il cilindro ospita al suo interno una carica esplosiva e un innesco dotato di un filamento elettrico collegato ad una unità di controllo atta a rilevare l'applicazione di una indebita tensione di alimentazione alle apparecchiature. Il dispositivo di protezione secondo l'invenzione è sostanzialmente un chiuditore in grado di provocare un rapido cortocircuito che, a sua volta, determina l'intervento degli interruttori in sottostazione, impedendo che le apparecchiature del veicolo vengano danneggiate.. Ulteriori vantaggiose caratteristiche formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Senza che ciò sia da intendersi in senso limitativo, l'invenzione risulta particolarmente vantaggiosa nei casi in cui un sistema di trazione previsto per 15 kV CA venga alimentato da un sistema a 3 kV in CC e viceversa e nel caso in cui un sistema di trazione previsto per 25 kV CA venga erroneamente alimentato da un sistema a 3 kV in CC e viceversa.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni allegati, relativi ad una forma realizzativa preferita dell'invenzione, in cui:

la figura 1 illustra tramite un circuito schematico un dispositivo di protezione realizzato secondo l'invenzione; la figura 2 illustra schematicamente l'applicazione della protezione ad un veicolo dotato di scaricatore.

Come mostrato in figura 1, il dispositivo di protezione secondo l'invenzione è costituito da una camera ermeticamente chiusa 1, alloggiata all'interno di un isolatore 2 in resina siliconica, e contenente un fluido con caratteristiche dielettriche controllate, ad esempio aria secca non condensante alla temperatura minima di servizio.

La camera 1 è chiusa superiormente da un coperchio 5, incollato al corpo dell'isolatore, e al suo interno è alloggiato un cilindro 3, munito di un contatto 4, normalmente aperto. Il cilindro 3 ospita al suo interno una carica esplosiva 6, di tipo non dirompente, e presenta un innesco 7 azionato da un filamento elettrico 8. L'incollaggio del coperchio isolato 5 è tarato in modo da consentire lo scarico della pressione dopo l'esplosione della carica 6.

Il filamento 8 viene selettivamente alimentato da una unità o centralina elettronica di protezione (non rappresentata) che emette un comando di accensione quando sono verificati dei criteri di protezione preventivamente definiti e che verranno illustrati nel seguito.

L'accensione della carica 6 provoca un rapido movimento del contatto 4 che viene chiuso, realizzando un cortocircuito nel quale viene deviata la corrente di guasto, la quale provoca l'apertura degli interruttori in sottostazione (non mostrati) , impedendo che le apparecchiature del veicolo vengano danneggiate.

La funzionalità del veicolo può così essere recuperata semplicemente abbassando il pantografo e ricaricando (o rimpiazzando) in deposito il dispositivo di protezione. Poiché nei circuiti attualmente in uso, i pantografi per i diversi sistemi di alimentazione sono collegati in parallelo, è sufficiente l'impiego di un solo dispositivo di protezione per ogni locomotore o veicolo di trazione. Il dispositivo di protezione secondo l'invenzione può essere convenientemente realizzato usando un isolatore portante cavo da disporre sul tetto del veicolo. La flangia, contenente il cilindro 3 e la carica 6 viene messa elettricamente a terra e fissata sul tetto. Gli elettrodi sono arrotondati per reggere la tensione di prova ad impulso prescritta con una distanza ridotta al valore minimo possibile.

Il fluido dielettrico all'interno della camera è normalmente aria, mantenuta secca con l'introduzione di un materiale igroscopico, quale ad esempio un sacchetto di silicagel o di potassa caustica. Nel caso la corsa tra i contatti debba essere ridotta al minimo, la camera può essere riempita con aria compressa, oppure con gas isolante quale SF^.

Il ritardo di chiusura dal ricevimento del comando è ridotto al minimo e comunque non superiore a 4-5 millisecondi, mentre l'accensione della carica esplosiva avviene preferibilmente a seguito di una scarica capacitiva. Verrà ora descritto più dettagliatamente il funzionamento della protezione nel caso di due equipaggiamenti particolari.

La figura 2 mostra uno schema tipico di inserzione del dispositivo dell'invenzione nelle apparecchiature di un sistema di trasporto su rotaia idoneo all'impiego sia su linee a CC che su linee a CA.

Il dispositivo di protezione 10 è inserito tra i due pantografi 11 e 12, rispettivamente per CC e per CA, e la massa. Sul lato del pantografo 12 per CA è collegato un terminale di un interruttore 13 che viene aperto quando l'alimentazione è in CC. L'altro terminale dell'interruttore 13 è collegato all'avvolgimento primario 14 del trasformatore principale 15, dotato di avvolgimenti secondari 16, 17 e 18 collegati, in modo noto, ad un convertitore CA 19.

Un sensore di corrente 20 è collegato tra l'altro terminale dell'avvolgimento primario 14 e la massa, e alimenta un ingresso del dispositivo di innesco 21 che comanda l'accensione della carica 6.

Sul lato CC, al pantografo 11 è collegato un estremo di un sezionatore di sistema 22. Il convertitore CC di trazione è collegato tra la massa e il sezionatore 22 tramite un interruttore principale CC 23. Al sezionatore di sistema 22 è inoltre collegato uno scaricatore CC 25 avente l'altro terminale collegato a massa attraverso un sensore 26 che costituisce il secondo ingresso del dispositivo di innesco 21.

Nel caso di un veicolo configurato per 3 kV e con scaricatore, l'intervento di quest'ultimo impedisce comunque alla tensione di ingresso di superare gli 11 kV di cresta, così da non provocare danni alle apparecchiature. Tuttavia, per evitare la distruzione dello scaricatore, come indicato in precedenza, secondo l'invenzione viene previsto un sensore, in forma di bobina di Rogowski, collegata sulla sua connessione di terra. Tale bobina fornisce un segnale ad alta impedenza, sostanzialmente proporzionale alla derivata della corrente che la percorre. Il segnale prodotto dalla sonda di Rogowski viene integrato due volte e confrontato con un valore prefissato. Essendo la tensione sullo scaricatore durante la sua conduzione tendenzialmente costante l'integrale della corrente, opportunamente scalato, è rappresentativo dell'energia assorbita. Al superamento del valore prefissato, viene azionato il dispositivo cortocircuitatore secondo l'invenzione. Con questa disposizione, l'energia assorbita dallo scaricatore può essere notevolmente superiore alla sua energia nominale in guanto, dopo il transitorio, lo scaricatore ha tutto il tempo di raffreddarsi prima che la tensione venga applicata nuovamente.

Quando un veicolo configurato per 15 kV in CA viene collegato ad una linea in CC, in teoria sarebbe sufficiente assicurarsi che la corrente nel trasformatore passi per lo zero entro un periodo o ciclo della tensione di alimentazione, ossia 60 msec. Tuttavia lo zero di corrente è difficilmente rilevabile all'atto dell'inserzione quando la corrente magnetizzante assume un aspetto prevalentemente unidirezionale, con picchi di 1500 A in una direzione e di pochi Ampere in direzione opposta. Secondo l'invenzione, viene utilizzata la derivata della corrente che, nel caso di alimentazione in alternata, cambia comunque sensibilmente di segno anche all'atto dell'inserzione nel tempo di un periodo, mentre nel transitorio conseguente all'inserzione su una rete a corrente continua lo manterrebbe invariato. 11 criterio decisionale può essere realizzato con metodi semplici di elettronica analogica o digitale, grazie ai sensori di corrente sul primario di cui sono già normalmente dotati i veicoli.

Claims (8)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo chiuditore per la protezione delle apparecchiature di un veicolo di trasporto su rotaia, caratterizzato dal fatto che è costituito da una camera (1) ermeticamente chiusa contenente un fluido con caratteristiche dielettriche e da un cilindro (3) che monta un contatto (4), normalmente aperto, e dal fatto che il cilindro (3) ospita al suo interno una carica esplosiva (6) e un innesco (7) dotato di un filamento elettrico (8) collegato ad una unità di controllo (9) atta a rilevare l'applicazione di una indebita tensione di alimentazione alle apparecchiature.
2. 2. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che è realizzato in forma di isolatore portante cavo (2) in resina, da disporre sul tetto del veicolo e provvisto di una flangia, contenente il cilindro (3) e la carica (6), fissata sul tetto ed elettricamente collegata a terra.
3. 3. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il fluido dielettrico è costituito da aria secca con un contenuto di umidità relativa tale da impedire la condensazione anche alla temperatura minima di esercizio.
4. 4. Dispositivo, secondo la rivendicazione 2 o 3 caratterizzato dal fatto che il fluido dielettrico è costituito da aria compressa.
5. 5. Dispositivo, secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che la camera contiene un materiale igroscopico, quale silicagel o potassa caustica.
6. 6. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il fluido dielettrico è costituito da gas SF^.
7. 7. Dispositivo, secondo le rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che gli elettrodi sono di forma arrotondata.
8. 8. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il filamento è alimentato con una scarica capacitiva.