Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para lineas de ferrocarril electrificadas en corriente continua.

Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua.

Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua, dispositivo de protección de las personas y equipos eléctricos ferroviarios, contra las diferencias de potencial peligrosas de los raíles respecto a tierra.

Constituido por una agrupación de mosfet (2) de potencia, conducen entre carril (26) y tierra (28), montados sobre un disipador de calor (3), sistema de control (12) de activación y desactivación, conjunto de varistores ignífugos escalonados (4) shunt de alta impedancia (5) drenador (7) surtidor (6) y seccionador de seguridad (31).

Instalado en puntos donde se prevean tensiones peligrosas y positivas entre el carril tierra conduce durante el intervalo de tiempo en el que la tensión es superior al umbral de protección, es ajustable. Conduce en sentido inverso, constituyendo un drenaje eléctrico polarizado tierra-carril. Las sobretensiones transitorias entre el carril y tierra son eliminadas permaneciendo dentro de los márgenes tolerables por los equipos y las personas.

SECTOR DE LATECNICA.-

La presente invención se refiere a un equipo electrónico para la protección de las personas 10 usuarias de las instalaciones ferroviarias electrificadas en corriente continua y equipos eléctricos de la mismas, contra las elevaciones de potencial excesivas de los raíles de las líneas de ferrocarriles, metros, tranvías, etc. respecto a los elementos puestos a tierra de las citadas instalaciones, limitando las tensiones de contacto a unos umbrales seguros para las personas y equipos.EI equipo protege a las personas y equipamiento ferroviario contra las sobrtensiones 15 transitorias , además de proteger la infraestructua ferroviaria frente a la corrosión electrolítica.

El dispositivo se instala en puntos singulares a lo largo de la línea de ferrocarril (estaciones, pasos nivel, etc.) Entre los railes y la red de tierras de protección o de servicio de la infraestructura, de la estación o de cualquier elemento metálico puesto a tierra. Gracias al cual 20 ante la aparición de un potencial positivo en los raíles respecto a tierra superior a una tensión umbral (VA) conduce y se cortocircuita durante el intervalo de tiempo en que la tensión del carril con respecto a tierra es superior al umbral de protección. Cuando la tensión baja del citado umbral (VA) se desconecta automáticamente y de manera totalmente segura , eliminando todas las tensiones peligrosas y transferencias de potencial que puedan aparecer entre los carriles , las 25 tierras colindantes , las personas , vehículos , etc. no quedando afectados por estas elevaciones de potencial las instalaciones que dispongan de estos equipos.

Todas las sobretensiones de origen atmosférico y las transitorias las carril-tierra y viceversa, son eliminadas y disipadas a través de tierra, no afectando a los equipos electrónicos ni al resto de 30 las instalaciones protegidas por los mismos.

Cuando la tierra es positiva respecto al carril conduce y se cortocircuita eliminando totalmente las diferencias de potencial entre ambos , constituyendo un drenaje eléctrico polarizado que canaliza las corrientes de retorno que puedan circular a través de los electrodos de tierra a hacia 35 los carriles , evitando de este modo la corrosión electrolítica de las estructuras metálicas ferroviarias y colindantes.

ESTADO DE LATECNICA.-

Las lineas de ferrocarril, metropolitanos y de tranvías están alimentadas en corriente continua a tensiones de 3500 Vcc , 1500 Vcc y 750Vcc respectivamente , por medio de subestaciones equipadas con rectificadores de gran potencia , capaces de suministrar intensidades de corriente del orden de 3.000A.

El polo positivo de los rectificadores se conecta a la catenaria a través de los feeders y el negativo se conecta a los carriles, alimentando de este modo a las maquinas de tracción.

Los rectificadores de las subestaciones disponen de disyuntores extrarrapidos tarados a intensidades del orden de 3.000A , cuya misión es la de desconectar la alimentación de la línea férrea en caso de circular por la catenaria intensidades superiores. Su tiempo de desconexión es inferior a 0,2 segundos.

La catenaria se suspende por medio de aisladores , de los postes metálicos ó de hormigón instalados regularmente a lo largo de las vías.

A lo largo de la línea disponen de un cable de tierra , que suele ser de cobre de 95 mm2 de sección , al cual se conectan todos los postes y elementos metálicos que soportan las catenarias y el resto de las estructuras metálicas existentes a lo largo de las vías. La instalación del mismo se realiza en subterráneo , directamente enterrado en zanja , o en aéreo , soportado por los mismos postes de la catenaria. Se encuentra conectado a tierra a por medio de electrodos verticales de toma de tierra a intervalos regulares.

Las elevadas corrientes de alimentación de los trenes (1500-200 A) tienen picos de intensidad muy elevados y variables ( 2000-4000 A ), los cuales retornan al polo negativo de las subestaciones a través de los raíles , una parte muy pequeña de estas retorna a través de la tierras , produciendo en ambos casos elevaciones de potencial positivas peligrosas y de larga duración (120 seg.). entre los raíles y tierra.

El potencial que adquieren los raíles respecto a tierra es función de:

1) La intensidad de retorno que circula a través de los raíles y de tierra.

2) Del tipo de trazado, llano ,con pendientes positivas o negativas.

3) Del número de trenes en circulación entre subestaciones en un momento dado.

4) Resistencia de la catenaria entre la subestación y el punto donde se encuentra el tren.

5) Resistencia de los railes entre la subestación y el punto donde se encuentra el tren.

6) Resistividad del suelo.

7) Resistencia de la Toma de Tierra del negativo de los rectificadores.

8) Resistencia de la red de tierras de la infraestructura.

Estas corrientes provocan elevaciones de potencial muy peligrosas que en general se desplazan a lo largo de la vía al igual que los trenes, son variables y aleatorias , el entorno afectado por estas elevaciones de potencial es variable , entre 300 y 500 m. como referencia.

Para resolver estos problemas es frecuente el empleo de limitadores de sobretensiones transitorias exclusivamente , a base de varistores o semiconductores equivalentes y descargadores de gas.

Los primeros por sí mismos no constituyen una protección eficaz , porque son incapaces de soportar sobretensiones intensidades permanentes sin deteriorarse (explotan). Son específicos para fenómenos transitorios de una duración de 350 pseg. Como máximo.

Los segundos tampoco, porque ante la presencia de una corriente continua se quedan cebados permanente, debido a que no existe inversión de la polaridad en la corriente y a que las tensiones de extinción del arco de los descargadores son bajas (se quedan en corto y explotan). Son específicos para fenómenos transitorios de una duración de hasta 350 pseg. como máximo.

Existen descargadores de intervalos polarizados para líneas de ferrocarril que disponen de diodos de potencia , que conducen exclusivamente cuando la tierra es positiva respecto al carril , lo que es muy poco frecuente , provocando un cortocircuito franco y canalizando las corrientes de defecto de catenaria a través de los raíles para provocar el disparo de los interruptores de las subestaciones.

Estos últimos no constituyen ninguna protección cuando el carril adquiere potenciales positivos y peligrosos respecto a tierra , que es lo que ocurre frecuentemente , porque en estos casos los diodos trabajan a la inversa , disponen elevada impedancia y aíslan el carril de la tierra.

Para evitar estos inconvenientes y asegurar una protección eficaz de las personas y de los equipos eléctricos y electrónicos asociados a las instalaciones ferroviarias , se han desarrollado unos equipos de protección contra las elevaciones de potencial positivas y excesivas de los raíles de las líneas de ferrocarriles con respecto a los elementos puestos a tierra de las citadas instalaciones , muy potentes (3000 A), escalables y eficientes , teniendo en cuenta los fenómenos que las originan, limitando las tensiones de paso y de contacto a unos humbrales seguros para las personas y equipos.

Todas las sobretensiones permanentes y las transitorias peligrosas que puedan aparecer entre el carril y la tierra y viceversa, son eliminadas y dispadas a través de tierra , no afectando a

las personas ni a los equipos eléctronicos ni al resto de las instalaciones protegidas por los mismos.

Protege contra la corrosión electrolítica a la red de tierras e instalaciones metálicas próximas a la vía , cuando la tierra es positiva respecto al carril se comporta como un rectificador de potencia (3000 A), contituyendo un drenaje eléctrico polarizado que canaliza las corrientes de retorno que puedan circular a través de los electrodos de tierra a hacia ios carriles.

Contribuye al disparo de los interruptores extrarápidos de las subestaciones canalizando las corrientes de defecto de catenaria a través de los raíles y provocar el disparo de los interruptores de las subestaciones.

Por todo ello el descargador de Intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua es un eficaz protector del personal y las instalaciones ferroviarias contra cualquier elevación de potencial , permanente o transitoria. Y un eficaz protector contra la corrosión electrolítica.

DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN.-

Las líneas de ferrocarril, metropolitanos y de tranvías están alimentadas en comente continua a tensiones de 3500 Vcc para trenes de largos recorridos...

1a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua caracterizado por que está constituido por una agrupación de varios transistores de efecto de campo o mosfets (2) de elevada intensidad nominal, de idénticas características , acoplados en paralelo para conseguir elevadas intensidades nominales y en serie para adaptar las tensiones de trabajo del conjunto a las tensiones positivas que entre el carril y la tierra caben esperarse en el normal funcionamiento de los trenes , con la misma orientación (2) y polarización (8), montados sobre un disipador de calor (3), dimensionado para soportar elevadas intensidades derivadas de la conexión de los railes con la redes de tierra , el drenador del dispositivo (7) de conecta al rail y el surtidor (6) a la red de tierra de las estaciones, pasos a nivel , etc. y puntos singulares del trayecto en donde sean de prever tensiones positivas entre el carril tierra superiores a las requeridas por la normativa vigente el dispositivo dispone de un sistema de control (12) que permite la conducción de corriente durante los intervalos de tiempo en que la tensión del carril con respecto a tierra es superior al umbral de protección , el cual es ajustable por medio del detector de tensión (14) y el detector de intensidad (15), el dispositivo tiene la particularidad que cuando la tensión de los railes respecto a tierra adquiere valores positivos superiores a un umbral de tensión prefijado conduce , dejando de conducir cuando la tensión desciende por debajo de este valor , dispone de un shunt (5) de alta impedancia para la ecualización de las tensiones de las puertas de los mosfets (2), gracias a los diodos intrínsecos que contienen los mosfet (11) conduce también en sentido inverso , cuando es la tierra la que adquiere tensiones positivas respecto al carril , está dimensionado para soportar elevadas intensidades derivadas de la conexión de la red de tierra a los railes , debido a la despreciable caída de tensión que tienen los diodos intrínsecos (11), el dispositivo es un eficiente sistema de protección catódica y anticorrosiva , habiéndose previsto que el dispositivo incorpore un conjunto de varistores ignífugos , escalonados en tensión (4) para el mantenimiento de las sobretensiones transitorias que puedan aparecer entre carril y tierra que se generen por defectos en la propias instalaciones o de origen atmosférico , dentro de un valor máximo asumible por los mosfets (2) y las personas usuarias de la instalación ferroviaria , con la particularidad asimismo de que el dispositivo incorpora un sistema de seccionamiento (31) de conexión del carril a tierra directamente en caso de avería , el dispositivo dispone de iarma de fallo de alimentación (21) local y distante y alarma de activación (22) local y distante. 2

2a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque el conjunto de potencia (3) está constituido por un disipador de aluminio sobre el que se montan los uno o varios mosfets (2) de idénticas características eléctricas y geométricas, los mosfet (2) tienen todos las misma orientación y polarización , montados con una estructura serie- paralelo e interconectados entre sí (3) , se comportan como un mosfet único con un drenador resultante del conjunto de potencia (7) y un surtidor (6).

3a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para lineas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque todas las puertas de los mosfet (2) se activan y desactivan al mismo tiempo por medio de un driver (19),con unos tiempos de respuesta de 0.2 pseg. y 0.5 pseg. respectivamente, conduciendo todos simultáneamente y durante el mismo intervalo de tiempo.

4a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque es capaz de soportar los cortocircuitos entre el carril y las tierras de intensidades nominales muy elevadas (lCc = 2500 A), por ser un equipo escalable (ampliable) con mosfets en paralelo.

5a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque es capaz de canalizar entre la tierra y carril a través de los diodos intrisecos (11) que disponen los propios mosfet con corrientes nominales y de cortocircuito muy elevadas (lCc = 2500 A).

6a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para lineas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque dispone de un conjunto de varistores escalonados en tensión (4) , de metal-oxido son ignífugos y disipan 200 KA para formas de onda 8/20 y 50KA para 10/350 , con un umbral de protección de 200 V , con una velocidad de respuesta de 0.20 pseg.

7a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para lineas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque incorpora una alarma de fallo de alimentación (21), por medio de un relé con contactos reversibles y libres de tensión , facilita la señalización local y la transmisión de esta alarma.

8a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque incorpora una alarma de activación (22), por medio de un relé con contactos reversibles y libres de tensión , facilita la señalización local y la transmisión de esta alarma , en el momento de activación del equipo. 9

9a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque el sistema de seccionamiento (31) incorpora un seccionador de cuchilla de 200 mm2de sección.

10a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para lineas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,según reivindicación 1a , caracterizado porque se puede instalar en poste, mural sobre pared y sobre basamento de hormigón.

11a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua.según reivindicación 1a , caracterizado porque el conjunto de potencia montado sobre el disipador de aluminio (3), estriado para aumentar la capacidad de disipación de calor, tiene unas dimensiones extemas de 450x350 mm , dispone de agujeros roscados de 5 mm de 0, donde se fijan los mosfets a la parte plana y mecanizada del disipador, las conexiones de potencia de los drenadores y surtidores , se realizan con pletinas de aluminio. Las pletinas de interconexión de los drenadores de los mosfet (7) y las de los surtidores (6), sirven de conexión del equipo al carril y a la tierra respectivamente.

12a.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua.según reivindicación 1a, caracterizado porque el conjunto varistor (4) queda instalado en un cubículo de fibra de vidrio con pestañas, con agujeros de 5 mm 0 atornillándose directamente a la placa de montaje , disponiendo de conexiones intemas y externas a base de pletinas atornilladas de aluminio, para facilitar la disipación de calor.

13°.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua.según reivindicación 1a , caracterizado porque dispone de dos pletinas de conexión de 50x6 mm disponen de un agujero de 12 mm0 para la conexión del drenador del conjunto de potencia (7) al carril y para la conexión del surtidor (6) a la tierra de la estación.Se ubican una a la derecha y otra a la izquierda de la placa de montaje.

14°.- Descargador de intervalos con tensión de activación y desactivación controlada y ajustable para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua.según reivindicación 1a , caracterizado porque todas las conexiones de la parte de potencia son de pletina de aluminio de 50x 6 mm para evitar la existencia de diferencias de potenciales galvánicos en las conexiones y por su buen comportamiento anticorrosivo. Están sobredimensionadas constituyendo un disipador de calor adicional.