СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОЖАРОЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ВХОДНОЙ СИЛОВОЙ ЦЕПИ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2000 года по МПК B60L3/00 

Настоящее изобретение относится к преобразовательной технике, направлено на улучшение устройств преобразования электрической энергии и предназначено для повышения надежности преобразования постоянного тока в переменный и наоборот.

Более конкретно данное изобретение относится к повышению пожароэлектробезопасности входных силовых цепей устройств преобразования электрической энергии, например входных силовых цепей постоянного тока тягового преобразователя транспортных электроустановок высокоскоростных поездов, электричек, трамваев и поездов метрополитена.

Известен способ повышения пожароэлектробезопасности устройств преобразования электроэнергии путем выделения токов утечки в цепях питания переменного тока с заземленной нейтралью. Он основан на выделении разницы входных и выходных токов нагрузки у щита питания По этой разнице судят об уровне опасности этих токов для возникновения дуги между токопроводящими жилами и корпусом, а также электробезопасности обслуживающего персонала (свыше 30 мА). Устройство защитного отключения т. УЗО - 20, ТУ 16 - 92 ИЖТШ. 656111.085 ТУ, г.Ставрополь, з-д "Сигнал", аналог].

Известна система повышения пожароэлектробезопасности, содержащая датчик тока нулевой последовательности, устройство измерения величины тока и исполнительный механизм. Датчик выполнен в виде тороидального сердечника, внутри которого расположены фазный и нулевой проводники цепи переменного тока. Датчик установлен около распредщита [Павлов В.Н. и др. "Обеспечение безопасности при использовании ручного электрифицированного инструмента на различных стадиях постройки судна. Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции, апрель, 1998 г.", аналог].

Недостатком известных способа и системы является необходимость наличия обратного проводника равного сечения внутри тороидального датчика, в то время как в предлагаемой системе технологически датчиком можно охватить только один проводник, что делает невозможным использование этого принципа в однопроводных сетях постоянного тока, когда обратным проводником является рельсовый путь, что делает известный способ конструктивно сложным. Большая трудоемкость монтажа делает этот способ экономически нецелесообразным. Кроме того выделение существующими конструктивами полезного сигнала 30 мА на фоне рабочего тока 700 - 800 А и более с учетом существующих технологических погрешностей практически невозможно.

Известен способ измерения сопротивления изоляции сетей постоянного тока относительно корпуса (земли), заключающийся в том, что применяют дополнительный источник постоянного измерительного напряжения, а для исключения влияния рабочего напряжения сети перед измерением компенсируют напряжение полюса сети относительно корпуса введением регулируемого источника постоянного напряжения, затем включают источник измерительного напряжения и производят отсчет показаний измерительного прибора [Авт. свид. СССР, N 369515, опуб. 08.11.1973 г., БИ N 10, аналог].

Недостатком известного способа является необходимость наличия двух источников постоянного тока: компенсирующего и измерительного, что в сетях питания транспортных средств до 3000 В, в условиях переменчивой нагрузки до 700 А, переменного рельефа местности, когда энергия может возвращаться в сеть при торможении на спусках (режим генерации) конструктивно и технологически невозможно компенсировать изменяющееся напряжение преобразователя, а измерительное напряжение невозможно приложить, т.к. один полюс является одновременно землей.

Известна система для автоматического измерения сопротивления изоляции судовых электрических сетей, содержащая блок управления, к которому подключен источник измерительного напряжения, блок сравнения напряжений, один вход и один выход которого соединены с блоком управления, второй вход - с корпусом, а второй выход - со входом блока управления компенсацией, и блок компенсации, подключенный к выходу блока управления компенсацией, причем второй вход блока управления компенсацией и выход измерительного органа соединены с блоком управления, а вход блока управления - со входным зажимом устройства, кроме того в нее введены блок выделения постоянной составляющей напряжения, вход которого подключен ко входному зажиму системы, а выход - к блоку управления, и блок выделения постоянной составляющей измерительного тока, включенный между блоком управления и измерительным органом, причем выход блока компенсации подключен к фазам контролируемой сети [Авт. свид. N 773527, опуб. 23.10.80 г., БИ N 39, аналог].

Недостатком этой системы является конструктивная сложность, выражающаяся в том, что электросеть необходимо отключить от земли на момент измерения сопротивления изоляции. Это значительно усложняет конструкцию, удорожает ее, делает невозможным постоянный контроль сопротивления изоляции сети во время движения электротранспортных средств, требует дополнительного автономного источника измерительного напряжения, что также удорожает стоимость системы. К недостаткам можно отнести ограниченную информативность по времени, что обусловлено возможностью измерения только в период отключения электросети от корпуса (земли), а также реализации данной схемы только для сетей переменного тока с изолированной нейтралью. В первом случае малая достоверность, т.к. под нагрузкой сеть более уязвима, чем при измерительном напряжении.

Известно устройство и метод для контроля утечки в системе тягового электроснабжения, для измерения тока утечки в распределительной сети системы тягового электроснабжения постоянного тока. Как правило, в системе имеется пара токопроводящих элементов (контактные рельсы), заземленные элементы (пара ходовых рельсов или система заземления). В системе имеются средства измерения напряжения каждого из проводников относительно земли и средство вычисления отношения величин этих напряжений, предусмотрено также подключение между проводниками и землей известных сопротивлений для вычисления нового отношения напряжений; на основе полученных отношений напряжений и известного значения сопротивления осуществляется вычисления сопротивления утечки между каждым из проводников и землей. Отображение значений сопротивлений утечки осуществляется на экране дисплея [Заявка 2317278, Великобритания, МПК G 01 R 27/18].

Задачей настоящего изобретения является снижение стоимости необходимого оборудования, обеспечение экспресс-контроля до движения и непрерывности измерения сопротивления изоляции в процессе эксплуатации тягового преобразователя, расширение сферы применимости не только для сетей переменного тока, но и для сетей постоянного тока, упрощение схемы с условием обеспечения пожаробезопасности входных силовых цепей тягового преобразователя при эксплуатации в резкоконтинентальном климате, при больших вибрациях, знакопеременных нагрузках и т. п. , а также электробезопасности обслуживающего персонала в случае утечек тока нагрузки на корпус (землю) более 30 мА, возможных влияний этих токов на работу преобразователя. Эти задачи решаются для широкой номенклатуры объектов (высокоскоростных поездов, электричек, трамваев, поездов метро и др.).

Для достижения указанного технического результата при измерении токов утечки системы тягового электроснабжения постоянного тока измеряют токи утечки входных силовых цепей постоянного тока тягового преобразователя, при совмещенной конструкции отрицательного полюса токопроводящих элементов ("- " контактной сети) с заземляющими элементами (землей) измеряют напряжение, пропорциональное нагрузочным токам каждого проводника у обоих полюсов контактной сети внутри тягового преобразователя, при вычислении отношений величин этих напряжений взаимно компенсируют напряжения, пропорциональные нагрузочным токам, у разных полюсов контактной сети, при непрерывном вычислении сопротивления утечки в цепь нагрузочного тока включают источник переменного по величине и частоте измерительного напряжения, напряжение в датчиках от которого у обоих полюсов контактной сети также сравнивают, взаимно компенсируют, разность от этой компенсации сопоставляют с показаниями предыдущей разности при сравнении напряжений, пропорциональных нагрузочным токам, и по результатам сопоставления управляют средствами защиты.

Для повышения надежности эксплуатации тягового преобразователя по параметру токов утечки перед началом его работы под нагрузкой выполняют экспресс-контроль входных силовых цепей в режиме "холостой ход".

Для упрощения конструкции, экономии электроэнергии при обеспечении пожароэлектробезопасности входных силовых цепей тягового преобразователя источник измерительного напряжения включают автоматически в испытуемую входную силовую сеть только на период экспресс-контроля и контроля при движении транспортных средств. Для реализации заявляемого способа используется система повышения пожароэлектробезопасности входных силовых цепей постоянного тока тягового преобразователя, содержащая токопроводящие элементы ("+" контактной сети), заземленные элементы, блок вычисления отношений величин этих напряжений, блок вычисления сопротивления утечки, дисплей, отображающий значения сопротивления утечки и имеющий заземленные элементы, совмещенные с "-" контактной сети, блок измерения напряжений, который дополнен еще одним блоком измерения напряжений, каждый из которых установлен у "+" и "-" полюсов контактной сети, эти блоки имеют измерительные органы, которые измеряют спектральную составляющую тока нагрузки, кроме того введены дополнительно токоприемник, заземляющее устройство и токопроводы, в качестве корпуса использован корпус транспортной электроустановки, исполнительный механизм токоприемника и преобразовательный блок, причем вход измерительного "+" полюса тягового электропривода соединен со своим полюсом контактной сети через токопровод, токоприемник, источник измерительного напряжения, а блок "-" полюса контактной сети соединен со своим полюсом через заземляющее устройство, выходы блоков обоих полюсов соединены со своими блоками выделения измерительного тока, причем эти блоки выделяют только спектральную составляющую измерительного тока, а выходы блоков выделения соединены со входами блока сравнения напряжений, выход которого соединен со входом блока управления, выход блока управления соединен через преобразовательный блок с исполнительным механизмом токоприемника "+" положительного полюса контактной сети, токоприемник, обеспечивающий соединение преобразовательного блока с помощью исполнительного механизма переменных усилий с "+" полюсом контактной сети, позволяет передать токи нагрузки в преобразовательный блок тягового преобразователя. В месте соединения токоприемника с контактной сетью переходное сопротивление изменяется на несколько порядков из-за состояния изолирующей окисной пленки контактного провода, изношенности контактной поверхности токоприемника, атмосферных условий (дождь, лед, пыль, окислы и др.), что ведет к образованию электрической дуги, перекрывающей эти препятствия. Частотный спектр дуги широк и включает также спектр частот управления преобразователя, что делает дугу идеальным измерительным источником, а амплитуда импульсов позволяет судить о степени прижатия токоприемника к контактному проводу и уровне потерь на переходном сопротивлении, что характеризует степень износа дуги и токопровода.

Конструктивная простота реализации способа и устройства обусловлена отсутствием необходимости установки дополнительного источника измерительного напряжения и частоты, средств его защиты и коммутации, установки датчика прижима токоприемника к контактному проводу, а также датчика степени износа контактных поверхностей токоприемника и контактного провода при наличии программного обеспечения компьютера. Это позволит построить дистанционную характеристику степени износа контактных проводов по всей трассе, а также характеристику износа каждого отдельного токоприемника.

Данные показатели незаменимы при планировании профилактических, капитальных, ремонтно - восстановительных работ на трассе и в депо. Данные показатели сравниваются с аналогичными других электропоездов и после каждого рейса, что обеспечивает повышенную информативность по сравнению с устройством, принятым в качестве прототипа. Данный подход на основе статистических методов позволяет разработать упрощенные методики диагностирования состояния контактных сетей.

Характеристика пространственного распределения переходных сопротивлений вдоль трассы позволяет программировать режим работы прижимного исполнительного механизма токоприемника (совместная работа с датчиком).

Предложенные способ и система соответствуют критерию "новизна", т.к. имеют отличительные признаки от прототипов, заключающиеся в использовании в качестве источника измерительного напряжения переменной амплитуды и частоты - электрической дуги, возникающей в точке контакта токоприемника и "+" контактной сети, двух датчиков, включенных в режиме вычитания для выделения тока утечки в токопроводе с последующей обработкой и компьютерным анализом состояния изоляции во входных силовых электроцепях тягового преобразователя.

Эта же электрическая дуга используется в качестве датчика усилий прижима токоприемника к контактной сети, а также датчика степени износа этих элементов с последующей обработкой и компьютерным анализом степени их износа, получением изображения контактного проводника по длине трассы с обозначением реального износа. Это позволяет прогнозировать профилактические и капитальные ремонтно- восстановительные работы участков трассы и токоприемников, а также прогнозировать усилия прижима исполнительного механизма токоприемника. Способ и система, содержащие такую совокупность существенных признаков, как подтверждается патентными исследованиями, не описаны в источниках патентной и технической литературы. Кроме того отличительные признаки не обнаружены в известных технических решениях и благодаря им у способа и системы (устройства) для его реализации появляется положительное свойство, заключающееся в простоте измерения сопротивления утечки на корпус (землю) в процессе движения и в стояночном режиме при экспресс-анализе, повышает пожароэлектробезопасность входных силовых цепей и позволяет повысить надежность эксплуатации элементов контактных сетей.

Это свойство не совпадает со свойствами, являющимися отличительными признаками в известных технических решениях, и не является суммой их свойств, что позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию существенных отличий.

На чертеже приведен пример реализации способа, изображена система повышения пожароэлектробезопасности входной силовой цепи устройства преобразования электрической энергии.

Сущность предложенного способа поясняется примером его реализации для получения информации о состоянии изоляции входных силовых цепей тяговых преобразователей средств транспорта. К "+" контактной сети 1 присоединяется перед движением транспортного средства токоприемник 2, который через "+" токопровод 3 соединяется со входом преобразовательного блока тягового преобразователя 4. Один из выходов этого блока через "-" токопровод 5 соединяется с заземляющим устройством (ЗУ) 6. ЗУ 6 через колесные пары соединяется с "-" контактной сети 7. На "+" токопровод 3 смонтирован датчик "+" блока измерительного органа 8, а на "-" токопровод 5 смонтирован датчик "-" блока измерительного органа 9. Выход блока 8 соединен со входом "+" блока выделения спектральной составляющей измерительного напряжения 10, а выход блока 9 соединен со входом "-", а выход блока 9 соединен со входом "-" блока выделения спектральной составляющей измерительного напряжения 11. Выходы блоков 10 и 11 цифровыми выходами подсоединены ко входам блока сравнения напряжений 12, выход которого соединен со входом блока управления компьютерной транспортной системы 13. Управляющий выход блока 13 соединен со входом преобразовательного блока 4 и через него со входом исполнительного механизма ТП 14. Последний непосредственно воздействует на подъемные приводы ТП 2. Между ТП 2 и "+" контактной сети 1 в момент соединения образуется электрическая дуга или спектральный фантом-источник 15. Корпус транспортного средства 16 соединяется с ЗУ 6. Аналоговые выходы блоков 10 и 11 соединены со входами блока индикаторов 17 (звуковых, световых, стрелочных), соответствующих уровню токов утечки. Сопротивление изоляции токопровода 3 относительно корпуса транспортной электроустановки (ЭУ) 16 обозначено R₁, а токопровода 5 относительно ЭУ 16 - R₂. Выходы блока индикации 17 соединены с преобразовательным блоком 4 и блоком управления 13.

Перед началом движения транспортного средства необходимо провести экспресс-контроль исправности всех входных силовых цепей тягового электропривода (ТЭП). Для этого к "+" контактной сети 1 подключают токоприемник ТП 2 с помощью исполнительного механизма 14 по команде блока управления 13 через преобразовательный блок 4. В месте контакта ТП 2 и "+" контактной сети 1 возникает электрическая дуга 15. Частотный спектр дуги по своему составу даже шире частотного спектра коммутационных импульсов преобразовательного блока 4, поэтому данный фантом-источник является идеальным источником измерительного напряжения как по амплитуде, так и по частотному диапазону. Такой подход позволяет гарантировать высокое качество в процессе эксплуатации изоляции или на начальном этапе пути. Измерительный ток, протекая по токопроводам 3 и 5 и через преобразовательный блок 4, замыкается через ЗУ 6 на "-" контактной сети 7. В датчиках 8 и 9 наводятся напряжения, пропорциональные величине измерительных токов в местах установки датчиков 8 и 9. В блоках выделения спектральной составляющей измерительных напряжений 10 и 11 сигналы преобразуются в унифицированный, например, цифровой вид и подаются на два входа блока сравнения напряжений 12. В случае отсутствия повреждений изоляции в кабельных линиях и элементах преобразовательного блока 4 на выходе блока 12 сигнал будет отсутствовать, т.е. I₁ =I₂.

При повреждении изоляции в сети между датчиками измерительных блоков 8 и 9 появятся токи утечки I_у1 и I_у2, что уменьшит величину измерительного тока I₂ в датчике 9 на эту величину токов утечки, т.е. I₁ = I_у1 + I_у2 + I₂ или I_у1 + I_у2 = I₁ - I₂. Сигнал, пропорциональный этой величине токов утечки, передается с выхода блока сравнения 12 на вход блока управления 13, причем напряжения от нагрузочных токов датчиков в блок сравнения 12. C выхода блока управления компьютера 13 выдаются сигналы управления средствами защиты в преобразовательный блок 4 и другие исполнительные механизмы в соответствии с программой обеспечения пожароэлектробезопасности. В зависимости от величины измерительного тока передается сигнал управления для исполнительного механизма 14, регулирующего усилие прижима ТП 2 к "+" контактной сети 1. Аналоговые величины, пропорциональные величинам токов I₁ и I₂, подаются на входы блока индикаторов 17, в нем сравниваются, поступают на пороговые устройства, после которых включаются световая, звуковая или стрелочная индикация на пульте оператора в соответствии с предложениями по управляющим воздействиям.

Спектральный фантом-источник появляется только на период экспресс-контроля, после регулировки усилий прижима исчезает в стояночном режиме. При движении, в силу появления продольных усилий в динамике движения ТП 2 вдоль "+" контактной сети 1, его прижимная поверхность изменяет угол прижима и величину переходного сопротивления, что приводит к появлению электродуги, т. е. снова появляется фантом-источник 15, который работает на всем пути движения транспортного средства из-за неоднородности контактных поверхностей по длине. В стояночном режиме фантом-источник исчезает.

Предложение обеспечивает снижение стоимости и трудоемкости операций контроля и обеспечения пожароэлектробезопасности, а также исключение аварийных ситуаций, ведущих к пожарам и поражениям током обслуживающего персонала и пассажиров.

Изобретение относится к предохранительной аппаратуре транспортных средств с тяговыми преобразователями тока. Способ включает измерение токов утечки входных цепей преобразователя на корпус с помощью переменного по величине и частоте напряжения, компенсацию напряжения от нагрузочных токов в датчиках у полюсов контактной сети, вычитание разницы показаний измерительных органов и управление средствами защиты. Перед работой привода выполняют экспресс-контроль входных силовых цепей в режиме холостого хода. Источник измерительного напряжения включают только в период экспресс-контроля и контроля при движении. В системе, реализующей способ, этот источник является спектральным фантом-источником в виде электродуги. Изобретение обеспечивает снижение стоимости защитного спецоборудования. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ повышения пожароэлектробезопасности входных силовых цепей постоянного тока тягового преобразователя, при котором измеряют токи утечки системы тягового электроснабжения постоянного тока, для чего сначала измеряют напряжение каждого проводника, вычисляют отношения величин этих напряжений и на основе полученных отношений вычисляют сопротивление утечки, отличающийся тем, что в системе тягового электроснабжения измеряют токи утечки входных силовых цепей постоянного тока тягового преобразователя при совмещенной конструкции отрицательного полюса токопроводящих элементов и контактной сети с заземляющими элементами, при этом измеряют напряжение, пропорциональное нагрузочным токам каждого проводника у обоих полюсов контактной сети внутри тягового преобразователя, при вычислении отношений величин этих напряжений взаимно компенсируют напряжения, пропорциональные нагрузочным токам у разных полюсов контактной сети, при непрерывном вычислении сопротивления утечки в цепь нагрузочного тока включают источник переменного по величине и частоте измерительного напряжения, напряжения в датчиках у обоих полюсов контактной сети также сравнивают, взаимно компенсируют, разность от этой компенсации сопоставляют с показаниями предыдущей разности при сравнении напряжений, пропорциональных нагрузочным токам, и по результатам сопоставления управляют средствами защиты. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед началом работы тягового привода под нагрузкой выполняют экспресс-контроль входных силовых цепей в режиме "холостой ход". 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что источник измерительного напряжения включают автоматически в испытываемую входную силовую цепь только на период экспресс-контроля и контроля при движении транспортного средства. 4. Система повышения пожароэлектробезопасности входных силовых цепей постоянного тока тягового преобразователя, содержащая токопроводящие элементы от положительного полюса контактной сети, заземленные элементы, блок изменения напряжения, блок вычисления отношений величин этих напряжений, блок вычисления сопротивления утечки на корпус, дисплей, отображающий значения сопротивления утечки, отличающаяся тем, что заземленные элементы совмещены с отрицательным полюсом контактной сети, блок измерения напряжений дополнен еще одним блоком измерения напряжений, эти блоки установлены у положительного и отрицательного полюсов контактной сети и имеют измерительные органы, которые измеряют спектральную составляющую тока нагрузки, кроме того, введены дополнительно токоприемник, заземляющее устройство и токопроводы, в качестве корпуса использован корпус транспортной электроустановки, исполнительный механизм токоприемника и преобразовательный блок, причем блок положительного полюса тягового привода соединен с одноименным полюсом контактной сети через токопровод, токоприемник, источник измерительного напряжения, а блок отрицательного полюса соединен с одноименным полюсом контактной сети через заземляющее устройство, выходы блоков обоих полюсов соединены с соответствующими блоками выделения измерительного тока, которые выделяют только спектральную составляющую измерительного тока, выходы блоков выделения соединены со входами блока сравнения напряжений, выход которого соединен со входом блока управления, выход блока управления соединен через преобразовательный блок с исполнительным механизмом токоприемника у положительного полюса и с заземляющим устройством у отрицательного полюса контактной сети. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что в качестве источника измерительного напряжения используется спектральный фантом-источник в виде электродуги, возникающей между положительным полюсом контактной сети и токоприемником в момент их взаимного контакта и в процессе движения транспортного средства.