СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПАССАЖИРОВ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА С НЕЗАЗЕМЛЕННЫМ КОРПУСОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2000 года по МПК B60L3/02 H02H3/16 

Изобретение относится к области защиты людей от поражения электрическим током и может быть использовано для непрерывного обеспечения электробезопасности пассажиров и обслуживающего персонала при прикосновении к незаземленному корпусу транспортного средства, в частности троллейбуса, в системах питания от двухпроводной сети постоянного тока.

Известные способы обеспечения электробезопасности, основанные на заземлении корпуса через скользящий контакт, на обработке информации о величине сопротивления изоляции или тока утечки, ненадежны, не обеспечивают необходимой точности, не универсальны с точки зрения возможности применения как в системах питания с изолированными полюсами, так и с заземленным отрицательным полюсом; не учитывают изменения сопротивления току утечки при прикосновении человека к корпусу [Томлянович Д.К., Чубуков В.И. Защита устройств электроснабжения троллейбусов", Транспорт, М., 1980]. Устройство, реализующее способ непосредственного измерения тока утечки [авт. свид. N 1507605 B 60 L 3/00, 1989] не обеспечивает непрерывности контроля.

Устройства, реализующие известные способы и обеспечивающие непрерывность контроля, строятся на принципах косвенного измерения токов утечки или на измерении потенциала корпуса попеременной составляющей напряжения питающей сети, или на косвенном контроле тока утечки путем компенсации потенциала корпуса относительно отрицательного ввода питания. Устройства содержат датчики информации (трансформаторы, резисторы), схемы логической обработки информации, пороговые устройства, схемы сигнализации, источник регулируемого компенсирующего напряжения с соответствующими соединениями между ними [Авт. свид. N 1066852, кл. B 60 L 3/02 1984; авт.свид. 1396193, кл. H 02 H 3/16, 1988; авт. свид. N 1555691, кл. G 01 R 31/02, 1990]. Устройствам присущи те же недостатки, относящиеся к вышеописанным способам.

Наиболее близким к заявляемому изобретению аналогом (прототипом) способа и устройства по реализации способа является способ, реализованный в сигнализаторе, предложенном Грубером Б.И., Коровиным В.А. [Авт.свид. N 2099207, кл. B 60 L 3/02, 1997] . Способ заключается в том, что по информации, получаемой с измерителя-ограничителя тока, регулируется величина компенсирующего напряжения между корпусом и отрицательным вводом питания при заземленном полюсе, которая (величина) контролируется логическим узлом контроля, управляющим схемой сигнализации. Устройство по реализации способа содержит управляемый источник компенсирующего напряжения, логический узел контроля, блок сигнализации. Управляемый источник компенсирующего напряжения включает в себя регулирующий орган, генератор импульсов, разделительный конденсатор, выпрямитель, измерительно-усилительный узел, измеритель-ограничитель тока, формирующие контрольный сигнал и позволяющие осуществить управление, и сглаживающий фильтр с соответствующими связями между ними. В сигнализаторе создаваемое компенсирующее напряжение отрицательной полярности приближенно равно потенциалу отрицательного ввода питания. Величина компенсирующего напряжения в определенной мере зависит от тока утечки. Недостатками рассматриваемого способа и сигнализатора является то, что однополярность компенсирующего напряжения не позволяет использовать сигнализатор в двухпроводных сетях с изолированными полюсами; потенциал корпуса не контролируется, лишь предполагается близость его к нулевому значению, так как не учитывается изменение потенциала отрицательного ввода питания при приближении соседнего работающего транспортного средства, что становится особо опасным при сходе токосъемника с положительного полюса; не учитываются изменения тока утечки и потенциала корпуса при прикосновении человека к корпусу, то есть не обеспечивается электробезопасность человека при прикосновении его к корпусу транспортного средства и поверхности дорожного покрытия.

Решаемой задачей предлагаемых способа и устройства является создание быстродействующей системы обеспечения электробезопасности пассажиров электротранспорта в системах питания от двухпроводной сети постоянного тока во всех условиях эксплуатации, независимо от типа питающей сети: изолированная сеть или сеть с одним заземленным полюсом.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения является обеспечение равенства нулю (с погрешностью средств обеспечения) потенциала корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия, на котором находится пассажир в момент прикосновения к корпусу, независимо от причин, вызывающих появление потенциала на корпусе, и независимо от типа питающей сети.

Поставленная задача решается тем, что в способе, заключающемся в формировании между отрицательным вводом питания и корпусом компенсирующего напряжения, регулируемого в соответствии с управляющим сигналом, в качестве управляющего сигнала используют контрольный сигнал о потенциале корпуса относительно поверхности дорожного покрытия, а компенсирующее напряжение формируют разнополярным, в зависимости от полярности контрольного сигнала, и устанавливают такой величины, чтобы потенциал корпуса относительно поверхности дорожного покрытия равнялся нулю.

Поставленная задача решается также тем, что в устройство, содержащее регулируемый источник компенсирующего напряжения, выход которого подключен между отрицательным вводом питания и корпусом, схему сигнализации, датчик контрольного сигнала, схему управления, согласно изобретению дополнительно введены два генератора видеоимпульсов, интегрирующее устройство, узел убавляемых ключей, при этом выход датчика контрольного сигнала через интегрирующее устройство соединен со входом сигнализации и со входом схемы управления, один выход которой соединен со входом одного из генераторов видеоимпульсов, второй выход схемы управления соединен со входом другого генератора видеоимпульсов, выходы генераторов видеоимпульсов соединены соответственно с двумя входами узла убавляемых ключей и двумя управляющими входами источника регулируемого компенсирующего напряжения, а два выхода узла управляемых ключей соединены с двумя входами регулируемого источника компенсирующего напряжения.

Задача решается также тем, что в качестве датчика контрольного сигнала используют изолированный от корпуса проводник, обеспечивающий контакт с поверхностью дорожного покрытия.

Задача решается также тем, что регулируемый источник компенсирующего напряжения содержит импульсный трансформатор, накопительный конденсатор, ограничительный резистор, два управляемых ключа, при этом первый и второй выводы первичной обмотки импульсного трансформатора являются входами регулируемого источника компенсирующего напряжения, один вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с накопительным конденсатором и через ограничительный резистор с корпусом, второй вывод вторичной обмотки через два управляемых ключа, включенных параллельно и встречно, соединен с другим выводом накопительного конденсатора и отрицательным вводом питания.

Потенциал корпуса транспортного средства относительно земли (фиг. 1) определяется выражением

где I_у - ток утечки по цепи ввода питающей сети - корпус-земля;
R_ш - сопротивление шин транспортного средства;
r_ч - сопротивление человека;
R_пер - сопротивление между поверхностью дорожного покрытия и землей;
R₁ и R₃ - сопротивления изоляции соответственно положительного и отрицательного вводов питания;
R₁₀ и R₃₀ - сопротивления изоляции соответственно положительного и отрицательного полюсов питающей линии;
r_л - сопротивление проводов линии.

Первая составляющая представляет разность потенциалов между корпусом транспортного средства и поверхностью дорожного покрытия вторая составляющая - разность потенциалов между поверхностью дорожного покрытия и землей. Электробезопасность человека определяется величиной U_к, то есть потенциалом корпуса транспортного средства относительно дорожного покрытия, на котором находится пассажир.

В системах питания с изолированными полосами величина тока утечки зависит от величин сопротивлений изоляции транспортного средства и линии, эквивалентного сопротивления полярность тока утечки определяется соотношением величин сопротивлений плеч эквивалентной мостовой схемы (фиг. 2), состоящей из сопротивлений изоляции транспортного средства, питающей сети и R_э и может быть любой

Сопротивлением проводов линии r_л в этом случае можно пренебречь ввиду его малости.

В системах питания с заземленным отрицательным полюсом R₃₀=0 полярность тока утечки и потенциала корпуса всегда положительна.

Сигнал U_к учитывает все возможные ситуации в эксплуатации транспортного средства: изменение сопротивлений изоляции транспортного средства и линий, обрыв (сход) токосъемника с положительного полоса питания; влияние других приближающихся транспортных средств (R'_дв), выражающееся в изменении потенциала отрицательного ввода питания за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении r_л проводов питающей линии, изменение величины эквивалентного сопротивления R_э при прикосновении человека к корпусу транспортного средства и т.д. Вид информации и применение интегрирующего устройства на выходе датчика контрольного сигнала позволяет снизить требования к качеству его контакта с поверхностью дорожного покрытия по сравнению с требованиями при заземлении корпуса транспортного средства для обеспечения электробезопасности.

На фиг. 1 показана структурно-функциональная схема транспортного средства и питающей линии с отображением элементов, влияющих на электробезопасность пассажира,
где E_с - напряжение на выходных клеммах тяговой подстанции, питающей линию;
E - напряжение на вводах питания транспортного средства;
R_дв - сопротивление тягового двигателя транспортного средства;
R'_дв - сопротивление тягового двигателя соседнего приближающегося транспортного средства;
К - ключ (замыкание ключа иммитирует прикосновение пассажира к корпусу транспортного средства).

На фиг. 2 показана эквивалентная мостовая схема,
где K_с - корпус транспортного средства.

На фиг. 3 представлена структурно-функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ,
где E₀ - напряжение на выходе внешнего источника питания (аккумулятора, вспомогательного генератора);
U_к - потенциал корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия;
U_комп. - компенсирующее напряжение.

На фиг. 4 показан алгоритм работы схемы управления.

На фиг. 5 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства
где эпюра N 1 - эпюра изменения потенциала корпуса при отсутствии заявляемого устройства: a - на входе интегрирующего устройства 2, b - на выходе интегрирующего устройства;
эпюра N 2 - эпюра выходных импульсов генератора видеоимпульсов 4/1;
эпюра N 3 - эпюра выходных импульсов генератора видеоимпульсов 4/2;
эпюра N 4 - эпюра компенсирующего напряжения U_комп на накопительном конденсаторе 11;
эпюра N 5 - эпюра изменения потенциала корпуса U_к на выходе интегрирующего устройства 2 (при наличии заявляемого устройства).

Устройство для реализации способа (фиг. 8) содержит: изолированный от корпуса датчик контрольного сигнала - проводник 1, обеспечивающий контакт с поверхностью дорожного покрытия, интегрирующее устройство 2, схему управления 3, два генератора видеоимпульсов 4/1 и 4/2, регулируемый источник компенсирующего натяжения напряжения 5, узел управляемых ключей 6, схему сигнализации 7. Причем датчик 1 соединен со входом интегрирующего устройства 2, выход которого соединен со входом схемы управления 3 и пороговым устройством 8/1 схемы сигнализации 7. Два выхода схемы управления 3 соединены со входом генераторов видеоимпульсов 4/1 и 4/2; выход генератора 4/1 соединен с управляемыми ключами 9/1, 9/2 узла 6 и управляемым ключом 9/3 регулируемого источника компенсирующего напряжения 5. Один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора 10, входящего в состав регулируемого источника компенсирующего напряжения, соединен с катодом управляемого ключа 9/1 и анодом управляемого ключа 9/5, второй вывод первичной обмотки соединен с катодом управляемого ключа 9/4 и анодом управляемого ключа 9/2 узла 6. Один выход вторичной обмотки импульсного трансформатора 10 соединен с накопительным конденсатором 11 и через ограничительный резистор 12 с корпусом транспортного средства; второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора 10 соединен с анодом управляемого ключа 9/6 и катодом управляемого ключа 9/3 регулируемого источника компенсирующего напряжения 5; катод управляемого ключа 9/6 и анод управляемого ключа 9/3 соединен с другим выводом накопительного конденсатора 11 и отрицательным вводом питания. Аноды ключей 9/1, 9/4 соединены с положительным полюсом внешнего источника питания E₀, катоды ключей 9/2, 9/5 соединены с отрицательным полюсом источника E₀ через датчик среднего тока 13. Датчик среднего тока 13 соединен с пороговым устройством 8/2 схемы сигнализации 7, а выводы пороговых устройств 8/2 и 8/1 соответственно со световым и звуковым устройствами узла индикации 14.

Интегрирующие устройства, генераторы видеоимпульсов, пороговые устройства общеизвестны и широко применяются в радиотехнике [например, А.Г.Алексеенко, Е.А,Koлoмбeт, Г.И.Стародуб "Применение прецизионных аналоговых ИС" М. , Сов.радио, 1980, стр. 77-72, 138-141, 167-173]. В качестве управляемых ключей могут быть использованы транзисторы, приемно-усилительные или модуляторные лампы. Схемы сигнализации со световыми и звуковыми индикаторами применяются в аналогичных устройствах [например, авт.свид. N 2099207, кл. B 60 L 3/02, 1997], в охранных устройствах. Алгоритм работы схемы управления приведен на фиг. 4. В качестве датчика среднего тока 13 используется параллельная RC-цепь.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, при потенциале корпуса относительно дорожного покрытия U_к равном нулю, на выходах генераторов импульсов 4/1, 4/2 отсутствуют сигналы, управляемые ключи 9/1 .. . 9/6 закрыты, накопительный конденсатор 11 не заряжен, компенсирующее напряжение U_комп=0. (В общем случае на накопительном конденсаторе может быть некоторый заряд (U_комп≠0), не нарушающий условия U_к=0.

При воздействии возмущающих условий: нарушении изоляции транспортного средства или линии, приближении соседнего транспортного средства и т.п. увеличивается ток утечки и на корпусе появляется потенциал U_к, превышающий порог чувствительности ±ΔU_к схемы управления 3.

При положительной полярности сигнала U_к>ΔU_к (фиг. 5, область A) включается генератор видеоимпульсов 4/2, открывая на время длительности импульса управляемые ключи 9/4, 9,5, 9/6. От внешнего источника E₀ происходит подзаряд накопительного конденсатора 11, отрицательной, относительно отрицательного ввода питания, полярности током вторичной обмотки импульсного трансформатора 10. Постоянная времени заряда накопительного конденсатора много меньше постоянной времени разряда, так как сумма сопротивлений открытых ключей 9/4, 9/5, 9/6 много меньше параллельно включенных сопротивлений закрытых ключей 9/3, 9/6, что позволяет почти полностью сохранить полученный накопительным конденсатором 11 заряд до прихода следующего импульса генератора видеоимпульсов 4/2. Генератор видеоимпульсов 4/2 формирует импульсы с максимальной частотой повторения, обеспечивая заряд накопительного конденсатора 11 до тех пор, пока величина компенсирующего напряжения U_комп на конденсаторе не установится такой, чтобы потенциал корпуса U_к был скомпенсирован до нуля с погрешностью ±ΔU_к. Величина ΔU_к определяется выбором элементов схемы управления 3; реализация ΔU_к в пределах 10-20 мВ не является сложной задачей [А.Г.Алексеенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб "Применение прецизионных аналоговых ИС", М., Сов.радио, 1980, стр. 167-172].

Если возмущающие условия меняются таким образом, что потенциал корпуса U_к будет уменьшаться (фиг. 5, область A'), то полученный накопительным конденсатором 11 заряд становится источником тока утечки, но обратной полярности. Потенциал корпуса U_к меняет полярность, схема управления 3 выключает генератор видеоимпульсов 4/2 и включает генератор 4/1, который на время длительности видеоимпульса открывает ключи 9/1, 9/2, 9/3. Накопительный конденсатор 11 перезаряжается от внешнего источника E₀ импульсами тока положительной, относительно отрицательного ввода питания, полярности со вторичной обмотки импульсного трансформатора 10. Генератор видеоимпульсов 4/1 формирует видеоимпульсы до тех пор, пока компенсирующее напряжение на накопительном конденсаторе 11 не установится такой величины, чтобы потенциал корпуса U_к был скомпенсирован до нуля с погрешностью ±ΔU_к, после чего схема управления 3 выключит генератор видеоимпульсов 4/1.

Если компенсирующее напряжение U_комп на накопительном конденсаторе 11 достигнет необходимой величины, а возмущающие условия сохраняются неизменными длительное время (фиг. 5. область Б), частота повторения видеоимпульсов уменьшается настолько, чтобы только поддержать постоянство компенсирующего напряжения U_комп и равенство нулю потенциала корпуса U_к с погрешностью ±ΔU_к.
Если в исходном состоянии возмущающие условия вызывают появление потенциала на корпусе отрицательной полярности U_к < минус ΔU_к, первым включается генератор видеоимпульсов 4/1; далее устройство работает аналогичным образом.

При уменьшении постоянной времени разряда накопительного конденсатора за счет уменьшения сопротивлений изоляции (фиг. 2) транспортного средства (R₁, R₃) или линии (R₁₀, R₃₀), или при прикосновении пассажира к корпусу (замыкание ключа К, фиг. 1) увеличивается количество энергии, потребляемой от внешнего источника E₀, что регистрируется датчиком среднего тока 13. При превышении средним током уровня, устанавливаемого пороговым устройством 8/2, срабатывает световое устройство узла индикации 14, информируя водителя об увеличении тока утечки. Для повышения надежности введена аварийная сигнализация: при возникновении любой опасной ситуации (пробой изоляции, отказ какого-либо элемента устройства обеспечения безопасности и т.п.) информация в виде сигнала U_к поступает на пороговое устройство 8/1 со схемой задержки. Если модуль превышает заданный пороговый уровень в течение заданного времени (одна или несколько секунд), сигнал поступает на звуковое устройство узла индикации 14. Таким образом обеспечивается двухуровневый непрерывный контроль и исключаются ложные срабатывания, вызываемые переходными процессами.

В системе питания с изолированными полюсами при R₁ или R₃₀ ---> 0, потенциал корпуса U_к ---> E; ! при R₃ или R₁₀ ---> 0, потенциал корпуса U_к ---> минус E. В системе питания с заземленным отрицательным полюсом (R₃₀=0) при всех условиях U_к ---> E.

Для обеспечения электробезопасности пассажиров максимальная величина модуля компенсирующего напряжения на накопительном конденсаторе должна быть

где E_c - напряжение на клеммах питающей подстанции;
R_орг - величина сопротивления ограничительного резистора 12 (фиг. 3).

Модуль амплитуды напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора 10 в режиме холостого хода должен превышать величину модуля компенсирующего напряжения

где ΔU_кл- - падение напряжения на сопротивлении открытого ключа 9/(6) или 9(3).

Время установления величины компенсирующего напряжения

где C - величина емкости накопительного конденсатора 11 (фиг. 3);
F - частота следования видеоимпульсов генераторов 4/1, 4/2;
τ_и - длительность видеоимпульсов генераторов 4/1, 4/2;
I₂ - ток во вторичной обмотке импульсного трансформатора 10 при открытых ключах 9/1, 9/2, 9/3 или 9/4, 9/5, 9/6.

Максимальную частоту следования видеоимпульсов F генераторов 4/1, 4/2 устанавливают на уровне нескольких килогерц, что позволяет сократить время установления необходимой величины компенсирующего напряжения и скомпенсировать постоянную и переменную составляющие напряжения питающей сети.

Изобретение относится к области защиты людей от поражения электрическим током и может быть использовано для непрерывного обеспечения электробезопасности пассажиров и обслуживающего персонала при прикосновении к незаземленному корпусу электротранспортного средства, в частности троллейбуса. Технической задачей предлагаемых способа и устройства является создание быстродействующей системы обеспечения электробезопасности пассажиров электротранспорта в системах питания от двухпроводной сети постоянного тока во всех условиях эксплуатации, независимо от типа питающей сети (изолированная сеть или сеть с одним заземленным полюсом) путем обеспечения равенства нулю потенциала корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия, на котором находится пассажир в момент прикосновения к корпусу. Поставленная задача решается тем, что между отрицательным вводом питания и корпусом формируют регулируемое компенсирующее напряжение, полярность которого определяется полярностью контрольного сигнала. В качестве контрольного сигнала используют сигнал о потенциале корпуса относительно поверхности дорожного покрытия. Величину компенсирующего напряжения устанавливают такой величины, чтобы потенциал корпуса относительно поверхности дорожного покрытия равнялся нулю. Задача реализуется устройством, вырабатывающим регулируемое разнополярное компенсирующее напряжение в зависимости от полярности и наличия контрольного сигнала, в состав которого дополнительно введены два генератора видеоимпульсов, интегрирующее устройство, узел управляемых ключей; регулируемый источник компенсирующего напряжения содержит импульсный трансформатор, накопительный конденсатор, ограничительный резистор, два управляемых ключа. В качестве датчика контрольного сигнала используется изолированный от корпуса проводник, обеспечивающий контакт с поверхностью дорожного покрытия. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ обеспечения электробезопасности пассажиров электротранспорта с незаземленным корпусом в системах питания от двухпроводной сети постоянного тока с заземленным или изолированным отрицательным полюсом, заключающийся в формировании между отрицательным вводом питания и корпусом транспортного средства компенсирующего напряжения, регулируемого в соответствии с управляющим сигналом, отличающийся тем, что в качестве управляющего сигнала используют контрольный сигнал о потенциале корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия, а компенсирующее напряжение формируют разнополярным, в зависимости от полярности контрольного сигнала, и устанавливают такой величины и полярности, чтобы потенциал корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия равнялся нулю. 2. Устройство для обеспечения электробезопасности пассажиров электротранспорта с незаземленным корпусом в системах питания от двухпроводной сети постоянного тока с заземленным или изолированным отрицательным полюсом, содержащее регулируемый источник компенсирующего напряжения, выход которого подключен между отрицательным вводом питания и корпусом транспортного средства, схему сигнализации, датчик контрольного сигнала о потенциале корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия, схему управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены интегрирующее устройство, два генератора видеоимпульсов, узел управляемых ключей, при этом выход датчика контрольного сигнала через интегрирующее устройство соединен со входом схемы управления, один выход которой соединен со входом одного из генераторов видеоимпульсов, второй выход схемы управления соединен со входом другого генератора видеоимпульсов, выходы генераторов видеоимпульсов соединены соответственно с двумя входами узла управляемых ключей и двумя управляющими входами регулируемого источника компенсирующего напряжения, а два выхода узла управляемых ключей соединены с двумя входами регулируемого источника компенсирующего напряжения. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве датчика контрольного сигнала используют изолированный от корпуса транспортного средства проводник, обеспечивающий контакт с поверхностью дорожного покрытия. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что регулируемый источник компенсирующего напряжения содержит импульсный трансформатор, накопительный конденсатор, ограничительный резистор, два управляемых ключа, при этом первый и второй выводы первичной обмотки импульсного трансформатора являются входами регулируемого источника компенсирующего напряжения, один вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с накопительным конденсатором и через ограничительный резистор - с корпусом транспортного средства, второй вывод вторичной обмотки через два управляемых ключа, включенных параллельно и встречно, соединен с другим выводом накопительного конденсатора и отрицательным вводом питания.