УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ НАРУШЕНИИ ИЗОЛЯЦИИ НЕ ЗАЗЕМЛЕННЫХ НА РЕЛЬСЫ ОПОР Российский патент 1997 года по МПК B60M3/00 H02H3/08 

Изобретение относится к линиям энергоснабжения для транспортных средств с электротягой и может быть использовано в качестве защиты тяговой сети постоянного тока при нарушении изоляции.

Известно устройство для защиты тяговой сети постоянного тока, содержащее датчик тока, включенный последовательно с заграждающим элементом, заземлителем, дополнительным проводом, связанным по числу опор с вентильными элементами, при этом, выход датчика тока через пороговый элемент связан с быстродействующим размыкателем.

Такое устройство ненадежно в эксплуатации, так как в нем отсутствует возможность контроля целостности дополнительного провода. Кроме этого, напряжения в дополнительном проводе, наведенные атмосферными явлениями или грозовым разрядом, не различимы в этой системе от напряжения возникшего в результате пробоя изолятора опоры контактной сети, что приводит к повышению вероятности ложного срабатывания системы защиты.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение автоматического контроля целостности дополнительного провода в устройстве защиты и снижение вероятности ложного срабатывания защиты при атмосферных электрических явлениях. При наличии такого контроля повышается надежность работы устройства защиты.

Эту задачу можно решить путем подачи в дополнительный провод постоянного напряжения положительной полярности величиной превышающей уровень наведенного на него напряжения при отсутствии атмосферных перенапряжений и контроля уровня этого напряжения в заданных пределах.

Этот эффект достигается тем, что в устройство для защиты тяговой сети постоянного тока, содержащее датчик тока, включенный последовательно с загружающим элементом, заземлителем, дополнительным проводом, связанным по числу опор с вентильными элементами и в котором выход датчика тока через пороговый элемент связан с быстродействующим размыкателем, введенный первый и второй источники низкого напряжения, дополнительный вентильный элемент, устройство индикации, три компаратора напряжения, цепочка последовательно соединенных четырех резисторов, интегрирующая цепочка и элемент логическое "2И", один из входов которого инверсен, устройство индикации, разрядник, соединенный параллельно с датчиком тока и заграждающим элементом, при этом, первый источник низкого напряжения последовательно соединен через дополнительный вентильный элемент, дополнительный провод и заграждающий элемент с датчиком тока, выход которого соединен с объединенными неинвертирующими входами трех компараторов, инвертирующие входы которых соединены с цепочкой последовательно соединенных четырех резисторов, в которой первый резистор соединен с общим фидером тяговой сети и заземлителем подстанции, а четвертый резистор со вторым источником низкого напряжения, соединение первого и второго резисторов соединено с инвертирующим входом первого компаратора, выход которого соединен с устройством индикации, соединение второго и третьего резисторов соединено с инвертирующим входом второго компаратора, выполняющего функции элемента, выход которого соединен с неинвертирующим входом элемента "2И", соединение третьего и четвертого резисторов соединено с инвертирующим входом третьего компаратора, выход которого через интегрирующую цепочку соединен с инвертирующим входом элемента "2И", выход которого соединен с быстродействующим размыкателем и устройством индикации.

Для упрощения устройства и упрощения его сборки датчик тока и заграждающий элемент выполнены в виде двух соединенных последовательно резисторов.

Кроме того, такая схема устройства обеспечивает надежную работу защиты опор контактной сети от ложного срабатывания при ударе молнии или при воздействии атмосферным электричеством в контактном проводе или в дополнительном проводе.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что от прототипа заявляемое устройство отличается наличием двух источников низкого напряжения, дополнительного вентильного элемента, устройства индикации, трех компараторов напряжения, цепочки последовательно соединенных четырех резисторов, интегрирующей цепочки, элемента логическое "2И", один из входов которого инверсен, устройства индикации, разрядника, соединенного параллельно с датчиком тока и заграждающим элементом.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема устройства защиты опор. Она содержит датчик тока 1, заграждающий элемент 2, дополнительный провод 3, вертикальные элементы 4 опор, быстродействующий размыкатель 5, первый источник низкого напряжения 6, второй источник низкого напряжения 7, дополнительный вентильный элемент 8, цепочку последовательно соединенных 4 резисторов 9, 10, 11 и 12, три компаратора напряжения 13, 14, и 15, интегрирующую цепочку 16, элемент логическое "2И" 17, один из входов которого инверсен, устройство индикации 18 и разрядник 19. Кроме этого, на чертеже показаны опоры контактной сети 20, соединенные через изоляторы 21 с высоковольтным контактным проводом 22, соединенный через размыкатель 5 с питающим фидером тяговой сети подстанции 23, заземлитель которой через общий фидер 24 соединен с рельсом 25, а также с датчиком тока 1, первым резистором 9 и разрядником 19.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии повреждения дополнительного провода 3 и пробоев изоляторов 21 опор контактной сети 20, ток из первого источника низкого напряжения 6 через дополнительный вертикальный элемент 8 поступает в дополнительный провод 3 и далее через резистивный заграждающий элемент 2 и резистивный датчик тока 1 в общий фидер 24. Напряжение с датчика тока 1 поступает на объединенные неинвертирующие входы компараторов 13, 14 и 15, где сравнивается с напряжениями на резисторах 9, 10, 11 и 12. Величины этих резисторов выбраны таким образом, что напряжение на первом резисторе 9 кратно напряжению источника 6, напряжение на втором резисторе 10 кратно сниженному напряжению в контактной сети и напряжение на третьем резисторе 11 красно увеличенному напряжению контактной сети. Четвертый резистор 12 соединен со вторым источником низкого напряжения 7. Величина кратности определяется соотношением величины резисторов 1, 2, 9, 10, 11 и 12 и напряжением источника 7. Напряжение на резистивном датчике тока 1 определяется суммой токов источника 6 и токов утечки изоляторов 21. Оно несколько превышает напряжение на первом резисторе 9, но значительно ниже напряжения на втором резисторе 10. В этом случае, на выходе первого компаратора 13 имеется сигнал, который передается в устройство индикации 18 и соответствует исправности дополнительного провода 3. В случае обрыва или замыкания на землю дополнительного провода 3 напряжение на датчике тока 1 будет ниже напряжения на первом резисторе 9, сигнал на выходе первого компаратора 13 исчезнет и устройство индикации 18 сигнализирует о повреждении дополнительного провода 3.

В случае пробоя одного из изоляторов 21 высокое напряжение контактной сети 22 через вентильный элемент 4 поступит в дополнительный провод 3 и далее через заграждающий элемент 2 на датчик тока 1. Дополнительный вентильный элемент 8 предохранит источник напряжения 6 от повреждения. Остальные вентильные элементы 4 предотвратят шунтирование напряжения в дополнительном проводе 3 внутренним сопротивлением других опор 20. В этом случае напряжение на датчике тока 1 будет выше напряжения на втором резисторе 10, но ниже напряжения на третьем резисторе 11. Это приведет к появлению сигналов на выходах первого 13 и второго 14 компараторов и отсутствию сигнала на выходе третьего компаратора 15 и интегрирующей цепочки 16. Такая комбинация сигналов на выходах второго компаратора 14 и интегрирующей цепочки 16 приведет к срабатыванию элемента "2И" 17, инверсный вход которого соединен с выходом интегрирующей цепочки 16. Выходной сигнал элемента "2И" 17 поступает на быстродействующий размыкатель 5 и устройство индикации 18. Происходит отключение контактного провода 22 от питающего фидера тяговой сети подстанции 23.

В случае удара молнии или наведении напряжения атмосферным электричеством в контактном проводе 22 или дополнительном проводе 3 напряжение контактной сети и порог срабатывания разрядника 19. Возникает разряд, который шунтирует элемент защиты 2 и дат чик тока 1 и предотвращает их выход из строя от перенапряжения. В этом случае напряжение на датчике тока 1 превысит напряжение на третьем резисторе 11. Это приведет к появлению сигналов на выходах всех компараторов. Интегрирующая цепочка 16 построена таким образом, что ее заряд осуществляется значительно быстрее чем разряд. Благодаря этому, на инверсный и прямой входы элемента "2И" 17 одновременно поступят сигналы. Такая комбинация входных сигналов не приведет к срабатыванию элемента "2И" 17 и отключения контактной сети не произойдет. Через некоторое время, определяемое электрической емкостью дополнительного провода 3, напряжение на нем начнет спадать. Время разряда и интегрирующей цепочки 16 выбирается таким, чтобы оно незначительно превышало время снижения напряжения на дополнительном проводе 3 ниже напряжения срабатывания второго компаратора 14. Таким образом, при ударе молнии после срабатывания третьего компаратора 15 и дальнейшего снижения напряжения на датчике тока 1 сигнал на выходе интегрирующей цепочки 16 исчезнет несколько позже, чем на выходе второго компаратора 14 и срабатывания размыкателя 5 не произойдет. Однако если в результате этого перенапряжения будет выведен из строя один из изоляторов 21, то снижения напряжения ниже срабатывания второго компаратора 14 за время разряда интегрирующей цепочки 16 не произойдет. В этом случае сигнал на выходе интегрирующей цепочки 16 исчезнет раньше, чем на выходе второго компаратора 14 с сработает элемент "2И" 17, выходной сигнал которого поступит на размыкатель 5 и устройство индикации 18.

Интегрирующая цепочка 16 может быть реализована, например, как параллельное соединение емкости и резистора, величины которых определяют постоянную времени разряда данной цепочки. Входной сигнал, быстро заряжающий конденсатор этой цепочки, поступает на него через вентильный элемент.

Пример конкретного использования.

В дополнительном проводе 3, соединенном с опорами контактной сети, наводится напряжение, не превышающее плюс-минус 3 B, при этом, максимальный ток в проводе не превышает плюс-минус 0,3 А. (6,7). Соответственно этим значениям, ток который должен выдавать первый низковольтный источник 6 в дополнительный провод 3, должен быть не менее 0,6 А. При этом, на датчике тока 1 должно быть напряжение, превышающее не менее чем в 5 раз минимальное напряжение срабатывания компаратора при наихудшем режиме, то есть при наведенном отрицательном токе 0,3 А. В этом режиме через датчик тока 1 будет протекать ток:
0,6-0,3=0,3
В качестве компараторов 13, 14 и 15 могут быть использованы широко распространенные микросхемы типа К5540АЗ. Максимальное значение минимального напряжения срабатывания для этих микросхем равно 7,5 мВ. Это значит, что при токе 0,3 А на датчике тока должно быть напряжение не менее 37,5 мВ. Такое возможно на датчике тока с сопротивлением не менее 0,125 Ом.

В соответствии с ГОСТ 6962-75 нормируемое максимальное и минимальное напряжение в контактной сети составляет соответственно 3,85 и 2,2 кВ. При пробе изолятора это напряжение оказывается приложено к дополнительному проводу 3. Удар молнии или наведенный потенциал атмосферным электричеством создадут напряжение на дополнительном проводе 3 выше этого максимального значения. Для предупреждения повреждения элементов устройства защиты к дополнительному проводу подключен разрядник 19. Напряжение срабатывания должно быть равным максимальному напряжению в контактной сети с коэффициентом запаса К= 1,5 и равному 5,9 кВ. При этом, напряжение на неинвертирующих входам компараторов 13, 14 и 15 не должно превышать допустимого для выбранных микросхем значения.

Для выбранных микросхем максимальное входное напряжение равно 15 В (4).

Последовательно с датчиком тока включен резистор заграждающего элемента 2. Поэтому для того, чтобы при напряжении в дополнительном проводе 5,8 кВ на датчике тока сопротивлением 0,125 Ом было напряжением 15 В, сопротивление заграждающего элемента должно быть 48,3 Ом. При этом ток, протекающий по заграждающему элементу и датчику тока, будет равен 120 А.

Таким образом, при сопротивлении заграждающего элемента 48,3 Ом, датчика тока 0,125 Ом и тока через него 0,5 А в неаварийном режиме работы напряжение первого низковольтного источника 6 должно быть около 30 В.

При исправном дополнительном проводе 1 и отсутствии повреждений изоляторов опор контактной сети и других атмосферных воздействий, вызывающих перенапряжение в дополнительном проводе 3, напряжение на датчике тока 1, определяемое напряжением первого низковольтного источника напряжения 6, будет лежать в пределах от 37,5 мВ при наведенном токе минус 0,3 А до 112,5 Мв при наведенном токе плюс 0,3 А. При этом, для того чтобы в данном диапазоне напряжений на датчике тока сработал первый компаратор с учетом 10% разброса номиналов резисторов, для повышения надежности срабатывания, напряжение на первом резисторе 9 должно быть примерно 0,034 В.

При пробое изолятора на дополнительном проводе возникает напряжение контактной сети от 2,2 до 3,85 кВ. Соответственно, на датчике тока 1 возникает напряжение от 5,68 до 9,94 В и должен сработать второй компаратор 14. С учетом 10% разброса номиналов резисторов напряжение на втором резисторе 10 должно быть около 5 В.

При грозовом разряде на дополнительный провод 3 наводится напряжение значительно превышающее максимальное напряжение в контактной сети, но благодаря разряднику оно ограничивается 5,8 кВ. При этом, как указывалось выше при определении величины сопротивления элемента защиты 2, напряжение на датчике тока будет 15 В и должны сработать все три компаратора. С учетом 10% разброса номинала резисторов напряжение на третьем резисторе должно быть порядка 13,5 В.

Напряжение на четвертом резисторе 12 равно напряжению второго источника 7 и должно превышать напряжение на третьем резисторе 11. Это напряжение должно быть близко к напряжению питания микросхем компаратора и равно 15 В.

Ток в цепочке резисторов должен не менее, чем в 10 раз превышать входной ток трех компараторов, равный 0,25 мА в каждом. Тогда ток цепочки резисторов будет 7,5 мА, а сопротивление при этом первого резистора 9 будет 4,53 Ом, второй 10 662 Ом, третьего 11 1134 Ом, четвертого 12 200 Ом.

При грозовом разряде срабатывает все три компаратора и происходит заряд интегрирующей цепочки 16. Длительность грозового разряда обычно не превышает 1-2 с. Поэтому время задержки сигнала интегрирующей цепочкой устанавливается не менее 3 с. Логический элемент "2И" подобран такой, чтобы он сработал через 2 Т разряда интегрирующей цепочки, где Т постоянная времени разряда и равна произведению емкости конденсатора на сопротивление резистора этой цепочки, то есть, постоянная времени должна быть не меньше 1,5 с.

Элемент "2И", один из входов которого инверсен, может быть реализован, например, на микросхемах серии К555 (5). Входной ток этих микросхем 0,36 Ма, при напряжении 0,4 В. Это значит, что к входу этих микросхем можно подключить резистор величиной не более 1000 Ом. Для этого, резистор интегрирующей цепочки 16, подключаемой к входу микросхемы К555, выбран с величиной 510 Ом. Для обеспечения необходимой постоянной времени 1,5 с параллельно выбранному резистору необходимо подключить емкость 3000 мкФ.

Использование: на линиях энергоснабжения для транспортных средств с электротягой и может быть использовано в качестве защиты тяговой сети постоянного тока при нарушении изоляции. Сущность изобретения: в случае пробой одного из изоляторов высокое напряжение контактной сети через вентильный элемент поступит в дополнительный провод и далее через заграждающий элемент на датчик тока. Дополнительный вентильный элемент предохранит источник напряжения 6 от повреждения. Остальные вентильные элементы 4 предотвратят шунтирование напряжения в дополнительном проводе внутренним сопротивлением других опор. В этом случае напряжение на датчике тока будет выше напряжения на втором резисторе, но ниже напряжения на третьем резисторе. Это приведет к появлению сигналов на выходах первого и второго компараторов и отсутствию сигнала на выходе третьего компаратора и интегрирующей цепочки. Такая комбинация сигналов на выходах второго компаратора и интегрирующей цепочки 16 приведет к срабатыванию элемента "2И" инверсный вход которого соединен с выходом интегрирующей цепочки. Выходной сигнал элемента "2И" 17 поступает на быстродействующий размыкатель 5 и устройство индикации 18. Происходит отключение контактного провода от питающего тяговой сети подстанции 23. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для защиты тяговой сети постоянного тока при нарушении изоляции не заземленных на рельсы опор, содержащее датчик тока, включенный последовательно с заграждающим элементом, заземлителем, связанный электрическим проводом по числу опор с вентильными элементами, при этом выход датчика тока через пороговый элемент связан с быстродействующим размыкателем, отличающееся тем, что устройство снабжено первым и вторым источниками низкого напряжения, дополнительным вентильным элементом, блоком индикации, тремя компараторами напряжения, цепью из последовательно соединенных четырех резисторов, интегрирующей цепью и элементом 2И с инвертирующим и неинвертирующим входами и разрядником, включенным параллельно с цепью из последовательно соединенных датчика тока и заграждающего элемента, при этом первый источник низкого напряжения связан через последовательно соединенные дополнительный вентильный элемент, упомянутый провод и заграждающий элемент с датчиком тока, выход которого соединен с неинвертирующим входом каждого из трех компараторов, инвертирующие входы которых связаны с соответствующими выводами упомянутой цепи резисторов, первый из которых одним выводом соединен с общим фидером тяговой сети и заземлителем подстанции, а четвертый с вторым источником низкого напряжения, общий вывод первого и второго резисторов соединен с инвертирующим входом первого компаратора, выход которого подключен к блоку индикации, второй вывод второго и первый вывод третьего резисторов соединены с инвертирующим входом второго компаратора, выполняющего функции порогового элемента, выход которого соединен с неинвертирующим входом элемента 2И, общий вывод третьего и четвертого резисторов соединен с инвертирующим входом третьего компаратора, выход которого через интегрирующую цепь связан с инвертирующим входом элемента 2И, выход которого соединен с быстродействующим размыкателем и блоком индикации. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик тока и заграждающий элемент выполнены в виде цепи из двух соединенных последовательно резисторов.