Сущность проблемы.

Одной из серьезных причин нарушения нормального функционирования железнодорожного транспорта во всем мире является обледенение проводов контактной сети. В результате этого бедствия 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, что приводит к их частой замене. Подобные явления возникают даже при образовании на проводах 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 замерзшей воды на контактном проводе последний следует нагревать до температуры 10°C в течении 15 мин. В процессе эксперимента от тяговой электростанции напряжением 26 кВ по контактному проводу пропускался ток больше 600 А, а мощность потребления составила 16 Мвт при удельной мощности 600 Вт/м (см. «Система борьбы с обледенением проводов контактной сети», журнал ЖДМ, 2002, № 2).

Другим способом защиты от гололеда является нанесение на контактные провода специальной антигололедной жидкости, действие которой даже в сухую погоду не превышает 5—7 дней.

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.

Предлагаемое устройство микроволнового нагревателя контактной сети.

Обратимся сначала к устройству бытовой микроволновой печи, схематичное устройство которой показано на рис.1. 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 в силу так называемого дипольного эффекта происходит наиболее интенсивное преобразование электромагнитной энергии в тепло, что и приводит к быстрому нагреву воды.

Заменим теперь закрытый резонатор открытым со сферическими металлическими отражателями (рис.2). Разместим такой резонатор на крыше специально оборудованного локомотива впереди пантографа таким образом, чтобы контактный провод все время находился между отражателями в центре электромагнитного поля. Магнетрон частотой 2450 МГц связывается с одним из отражателей коаксиальным кабелем или волноводом.

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

Расчеты показывают, что для быстрого нагрева воды до температуры 30—400С, требуемой для практически мгновенной очистки контактного провода от ледяной пленки, необходимо на метр провода расходовать энергию 10 кДж за 1 с, что можно обеспечить, расположив на крыше локомотива группу открытых резонаторов (см. рис. 3).

Например, при скорости движения локомотива 36 км/ч или 10 м/с потребуется 10 резонаторов, к каждому из которых следует подключить магнетрон мощностью 10 кВт или 5 резонаторов при мощности 20 кВт. При большей скорости следует, соответственно, увеличить мощность магнетрона.

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

Экспериментальная проверка предлагаемой идеи уничтожения ледяной пленки.

Приведем результаты экспериментальной проверки предлагаемого способа уничтожения ледяной пленки на контактном проводе, проведенной автором настоящей статьи в одной из лабораторий факультета РТС государственного технического университета МИРЭА. Фотография лабораторной установки приведена на рис.4. Установка включает магнетрон мощностью 800 Вт с блоком питания от серийно выпускаемой микроволновой печи и два отражателя, в качестве которых применены спутниковые наземные антенны с дополнительными металлическими рефлекторами. Банка с водой, помещенная в свободное пространство между рефлекторами, при мощности магнетрона 800 Вт за 2 мин нагревается на 700С относительно первоначальной температуры.

Аналогичный нагрев воды в резонаторе закрытого типа занимает 1 мин. Следовательно, при открытом резонаторе половина излучаемой магнетроном мощности рассеивается в окружающее пространство, но вторая половина электромагнитного излучения преобразуется в тепло, способствуя быстрому таянию ледяной пленки и обеспечению надежного контакта графитового токоприемника пантографа с контактным проводом.

Испытания проводились в помещении с металлическим экраном, отделяющим лабораторную установку от экспериментатора.

Заключение

В результате проведенного исследования экспериментально подтвержден принцип дистанционного нагрева воды с помощью микроволнового генератора (магнетрона) частотой 2450 МГц и открытым резонатором.

Следовательно, с помощью предлагаемого способа возможно практически мгновенное расплавление ледяной пленки на контактном проводе и обеспечение условий для надежного контакта с ним графитового токоприемника пантографа электровоза. Расположив группу таких микроволновых нагревателей перед пантографом (рис.3), каждый локомотив будет, образно говоря, расчищать перед собой дорогу, избавляясь от гололеда на контактном проводе. Реализация описанного изобретения позволит обеспечить нормальные условия эксплуатации железнодорожного транспорта при самых неблагоприятных погодных условиях.

Хочу поблагодарить инженера В.Г.Писанко за активную помощь в изготовлении стенда.

Вильям Каганов.