СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2008 года по МПК H02J1/00 G01R27/16 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах распределения электроэнергии, например, в составе самолета, корабля или космического аппарата (КА).

Системы распределения электроэнергии в аппаратуре КА обычно выполняются с использованием шин питания, полностью изолированных от корпуса изделия, например, [1]. Изолированной от корпуса в части первичных цепей распределения электроэнергии выполняется и иная аппаратура КА. При таком построении системы распределения электроэнергии замыкание на корпус любой шины питания или любой цепи внутри питаемых приборов не приводит к возникновению аварийных ситуаций, в отличие от того, когда одна из шин питания соединена с корпусом изделия («заземлена») штатно, а в цепи второй шины питания появляется дефект. В этом случае возможен полный разряд бортовых источников питания типа аккумуляторных батарей либо возникновение пожароопасной ситуации. Контроль изоляции шин питания от корпуса («земли») изделия во время эксплуатации является одной из мер по обеспечению надежности различных систем распределения электроэнергии и систем управления КА в целом в течение заданного срока службы.

Известна система распределения электроэнергии [2], содержащая блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы шин питания приборов и блок управления коммутаторами шин питания (входная шина управления).

Однако, как и в любой системе распределения электроэнергии, в ней по мере эксплуатации ухудшается изоляция, со временем возможен даже пробой изоляции на корпус, особенно в цепях и приборах, находящихся в открытом космосе под воздействием радиационных излучений космического пространства или в составе обитаемых отсеков от воздействия агрессивных составляющих атмосферы. При нарушении изоляции ухудшается информационный обмен, возрастает вероятность возникновения ложных включений аппаратуры, неисполнения или формирования несанкционированных команд и т.п. Обнаружение факта нарушения изоляции позволяет своевременно отключить подозрительную аппаратуру или перейти на резервные каналы управления.

Для контроля сопротивления изоляции шин питания в совокупности с подключаемыми к ним цепями питания приборов КА применяется аппаратура контроля, подключающая поочередно шины питания системы через эталонную цепь к корпусу изделия и контролирующая напряжения на шинах относительно корпуса изделия и протекающие через эту цепь токи. Аналог, выполненный по такому принципу, может быть проиллюстрирован примером технического решения из описания к патенту [3].

Однако в системе распределения электроэнергии с импульсным опросом сопротивления изоляции на корпус («землю») изделия возникают помехи и электромагнитная несовместимость некоторых приборов. Поэтому такая проверка системы распределения электроэнергии может использоваться только при наземных испытаниях изделия и то не во всех режимах работы, а в полете не может использоваться вообще, тем более для непрерывного контроля состояния изоляции. Вместе с тем, контроль сопротивления изоляции (токов утечки) в системе распределения электроэнергии и в питаемой аппаратуре и его достоверность может помочь принятию превентивных мер предупреждения нештатных ситуаций на борту в процессе многолетней эксплуатации КА.

Следует особо отметить, что контроль сопротивления изоляции в непрерывном режиме тоже имеет недостатки, в частности, если устройство для проверки сопротивления изоляции шин питания относительно корпуса КА вышло из строя само, либо существенно изменились его метрологические характеристики, то его показания могут «свидетельствовать» о хорошей изоляции относительно корпуса даже в том случае, если произойдет замыкание любой шины питания на корпус изделия, либо выдаст ложную информацию о появлении утечек на корпус в цепях питания. Понятно, что такая ситуация снижает достоверность контроля.

В качестве наиболее близкого аналога предлагаемой системе рассматривается упомянутое выше устройство [2], содержащее максимальное количество признаков данной системы распределения электроэнергии, а именно блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами цепей питания приборов.

Задача предложения - увеличение эксплуатационной надежности системы распределения электроэнергии путем обеспечения достоверности контроля сопротивления изоляции системы распределения электроэнергии и питаемой ею аппаратуры, что обеспечит своевременный переход на резерв в случае обнаружения недопустимого снижения сопротивления изоляции.

Эта задача решается тем, что в систему распределения электроэнергии, содержащую блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами цепей питания приборов, введены четыре резистора, контрольно-измерительный прибор, дополнительные коммутаторы, подключенные к выходным шинам блока питания, и имитатор сопротивления изоляции, причем шины блока питания через первый и второй резисторы соединены с первым входом контрольно-измерительного прибора и корпусом («землей») изделия, а через третий и четвертый резисторы соединены со вторым входом контрольно-измерительного прибора, имитатор сопротивления изоляции входами подключен к выходам дополнительных коммутаторов, а общей точкой подключен к корпусу («земле») изделия, при этом имитатор сопротивления изоляции выполнен в виде эталонных резисторов, первые выводы которых соединены с входами имитатора сопротивления изоляции, а вторые выводы соединены с его общей точкой. Кроме того, первый и второй резисторы системы распределения электроэнергии могут быть выполнены с возможностью их одновременного изменения, например, с помощью сигналов контрольно-измерительного прибора.

На фиг.1 приведена блок-схема предложенной системы распределения электроэнергии,

где обозначены:

1 - блок питания;

2 - блок управления;

3, 4 - приборы;

5 - контрольно-измерительный прибор;

6 - имитатор сопротивления изоляции;

7, 8, 9 и 10 - цепи питания приборов;

11, 12 - сопротивление приборов 3, 4 (обычно низкоомное и комплексное);

13, 14 - сопротивления изоляции шин питания;

15, 16, 17, 18 - сопротивления изоляции цепей питания приборов 3.

На блоке питания 1 знаками «+» и «-» обозначены шины питания системы распределения электроэнергии, Е - выходное напряжение блока питания 1;

K1, K2, К3, К4 - коммутаторы цепей питания приборов (релейные и/или электронные);

К5, К6 - дополнительные коммутаторы;

R1-R4 - резисторы;

R5, R6 - эталонные резисторы.

На фиг.2 приведен в качестве примера вариант исполнения резисторов R1 и R2 с возможным изменением их сопротивления с помощью переключателя SA и резисторов R7, R9, R8 и R10.

Выполнена система распределения электроэнергии (фиг.1) следующим образом.

Выходные шины «+» и «-» блока питания 1 с напряжением Е подключены к блоку управления 2 и к входам коммутаторов K1, K2, К3, К4, К5, К6, к выходам которых подключаются соответствующие приборы 3, 4 бортовой аппаратуры КА, а также имитатор сопротивления изоляции 6. Блок управления 2 осуществляет управление всеми коммутаторами (показано стрелками). Такое построение системы распределения электроэнергии обеспечивает двухполярную коммутацию цепей питания 7, 8, 9 и 10 приборов 3, 4 и имитатора сопротивления изоляции 6. Шины «+» и «-» блока питания 1 через резисторы R1 и R2 с одинаковыми номиналами соединены с корпусом («землей») изделия. Один вход контрольно-измерительного прибора 5 (левый по схеме) также соединен с корпусом («землей») изделия, второй вход контрольно-измерительного прибора 5 через резисторы R3 и R4 с одинаковыми номиналами (не обязательно равными номиналам резисторов R1 и R2) также соединен с шинами питания системы распределения электроэнергии. Коммутаторы К1-К4, а также К5 и К6, могут быть выполнены как на контактах реле, так и на полевых транзисторах. На чертеже показаны оба варианта. Не принципиальны назначение, типы, количество приборов 3, 4 и их сопротивление 11, 12. Имитатор сопротивления изоляции 6 состоит из эталонных резисторов (на фиг.1 показаны два резистора R5 и R6, при необходимости их может быть больше с соответствующим увеличением количества входов имитатора сопротивления утечки), первыми выводами подключенных к входам имитатора сопротивления изоляции, а вторым - к его общей точке. Резисторы имитатора должны имитировать определенное максимальное сопротивление изоляции, чтобы проверить работоспособность и чувствительность контрольно-измерительного прибора 5, при необходимости на разных пределах измерения, если он многопредельный, минимально допустимое сопротивление изоляции, чтобы проверить в этих условиях работоспособность аппаратуры КА, задействованной на данном этапе.

Резисторы 13, 14, 15 и 16, 17 и 18, показанные пунктиром на фиг.1, являются соответственно сопротивлениями изоляции шин питания системы распределения электроэнергии в целом и цепей питания приборов 3, 4. При этом уменьшение сопротивления изоляции может произойти как внутри приборов (сопротивления изоляции показаны в приборе 3), так и за их пределами (как показано для прибора 4).

На фиг.2 показан пример выполнения резисторов R1 и R2 с возможным изменением их номиналов с помощью переключателя SA и резисторов R7, R9, R8 и R10 за счет команд контрольно-измерительного прибора 5. Изменение номиналов резисторов может быть также выполнено с помощью внешних команд либо вручную.

Система распределения электроэнергии, показанная на фиг.1, работает следующим образом.

Еще до включения блока питания через резисторы R1 и R2 обеспечивается стекание зарядов с шин питания. Это исключает образование высоких потенциалов на них и возможность электрического пробоя изоляции.

После включения блока питания 1 система распределения электроэнергии бортовой аппаратуры изделия сразу встает под контроль в части изоляции цепей питания относительно корпуса («земли») изделия. При этом одинаковые номиналы резисторов R1 и R2 образуют заземленную среднюю точку: шины блока питания 1 принимают потенциалы относительно корпуса («земли») изделия, равные половине напряжения питания Е, а именно +Е/2 - на шине «+» и -Е/2 - на шине «-». Резисторы R3 и R4 образуют свою независимую среднюю точку, «плавающий» потенциал которой относительно корпуса («земли») изделия также равен нулю в силу равенства номиналов этих сопротивлений. При этом предполагается, что шины питания не имеют утечки на корпус или имеющиеся реально утечки на корпус («землю») пренебрежимо малы (сопротивления 13 и 14 имеют значения много больше сопротивлений резисторов R1 и R2). При этом контрольно-измерительный прибор 5, отградуированный соответствующим образом, показывает ноль тока утечки или бесконечное сопротивление изоляции (мост, образованный резисторами R1-R4 сбалансирован). При появлении и по мере увеличения тока утечки с одной из шин питания на корпус («землю») изделия, например, при уменьшении сопротивления изоляции 13, вплоть до короткого замыкания при пробое или повреждении изоляции, происходит разбалансировка моста R1-R4 за счет того, что сопротивление изоляции 13 шунтирует сопротивление R1, уменьшая тем самым потенциал шины «+» относительно корпуса (вплоть до нуля вольт при коротком замыкании). За счет разбалансировки моста контрольно-измерительный прибор 5, имеющий шкалу со средней точкой, фиксирует уменьшение сопротивления изоляции именно с шины «+» на корпус («землю») изделия. Контрольно-измерительный прибор 5, снабженный пороговым устройством, при определенном сопротивлении изоляции может выдать световой или звуковой сигнал - предупреждение о его недопустимом уменьшении, передать эту информацию по каналам связи на землю и т.д. Конкретная конструкция, состав, электрическая схема контрольно-измерительного прибора 5 не входят в объем притязаний, поэтому в материалах данной заявки подробно не рассматриваются.

До включения бортовых приборов 3, 4 их сопротивления изоляции 15 и 16, 17 и 18 цепей питания недоступны для контроля, поскольку коммутаторы этих приборов выключены. Вместе с тем контроль этих сопротивлений может быть осуществлен в «фоновом режиме» без включения прибора в рабочий режим. Для этого достаточно с помощью блока управления 2 включить только один коммутатор, например коммутатор К1, при проверке сопротивления изоляции прибора 3. Поскольку сопротивления изоляции 15 и 16 оказываются подключенными параллельно резистору R1, то по изменению показаний контрольно-измерительного прибора 5 можно определить эквивалентное значение этих сопротивлений. Включая коммутатор К2 вместо К1, по показаниям контрольно-измерительного прибора 5 можно получить подтверждение предыдущих результатов либо получить дополнительную информацию. При штатном включении любого прибора 3, 4 уменьшение сопротивления изоляции приведет к разбалансу моста и по показаниям контрольно-измерительного прибора 5 будет определена шина питания, с которой появился ток утечки на корпус («землю») изделия.

При наземных испытаниях системы распределения электроэнергии и аппаратуры КА выявление ухудшения изоляции на корпус («землю») изделия требует принятия мер по обнаружению и устранению дефекта. При штатной эксплуатации КА факт появления такого дефекта должен быть зафиксирован контрольно-измерительным прибором 5, передан через его интерфейс в систему сбора и обработки информации (на чертеже не показано, поскольку не входит в объем притязаний по данному изобретению), по радиоканалу передан на контрольно-измерительный пункт (или в центр управления полетом), здесь проанализирован с «привязкой» к ситуации на борту КА по иной телеметрической информации, поступившей в это же время от других приборов, и по нему приняты меры. Ситуации ухудшения изоляции в системах распределения электроэнергии аппаратуры КА чаще всего возникают «внезапно» при включении приборов или при формировании ими некоторых выходных команд. В этом случае анализ неисправности существенно облегчается, поскольку момент появления дефекта «связан» во времени с определенными операциями на изделии, и цепи, причастные к возникновению дефекта, могут быть немедленно локализованы.

Сигнал на выходе контрольно-измерительного прибора 5 в простейшем случае свидетельствует о том, в норме ли сопротивление изоляции на корпус («землю») изделия или нет. Вместе с тем в течение длительного срока службы КА изменение сопротивления изоляции (ее деградация) происходит постепенно, но неуклонно. При этом изменение сопротивления изоляции происходит «в разы» и даже на порядки, например, в условиях открытого космического пространства - от воздействия космической радиации, а в обитаемых отсеках - от различных активных компонентов в составе атмосферы отсеков. В реальных условиях сопротивление изоляции изменяется от десятков-сотен МОм до единиц кОм, поэтому понятие «норма» в части сопротивления изоляции со временем претерпевает изменения.

Для расширения диапазона измерения сопротивлений изоляции сопротивления резисторов R1 и R2 должны иметь несколько значений, например по 10, 100 и 1000 кОм (фиг.2). Одновременное переключение номиналов этих резисторов (автоматически тем же контрольно-измерительным прибором 5 по внешней команде или вручную; при этом переключение номиналов резисторов R3 и R4 практически не требуется) позволяет расширить диапазон измерения сопротивлений изоляции, что, в свою очередь, позволит проследить деградацию изоляции (порядка от 100 МОм до десятков Ом), поможет спрогнозировать последствия этой деградации и принять необходимые меры по ее нейтрализации. Более того, такое решение позволяет выполнить долговременные эксперименты по количественному измерению изменения сопротивления изоляции тех или иных новых изоляционных материалов в условиях полета. Вместе с тем следует иметь в виду, что для достижения высокой точности измерения сопротивления изоляции контрольно-измерительный прибор 5 должен периодически подвергаться метрологической поверке или корректировке. Это требуется даже в том случае, когда его точность не подвергается сомнению. А вызвано это тем, что мост из резисторов R1-R4 подключен непосредственно к выходным шинам блока питания, напряжение питания Е которого на практике имеет значительные отклонения от номинала, что неминуемо приведет к изменению показаний контрольно-измерительного прибора 5 пропорционально изменению напряжения питания Е при неизменном сопротивлении изоляции. В этом случае с помощью блока управления 2 можно включить коммутатор К5 или Кб, подключить к одной из шин питания один из эталонных резисторов R5 или R6 имитатора сопротивления изоляции 6 и по разности показаний контрольно-измерительного прибора 5 до и после подключения эталонного резистора даже без знания текущего значения напряжения Е можно произвести корректировку его показаний. Такие операции позволят подтвердить достоверность показаний контрольно-измерительного прибора 5.

Что касается импульсных помех, влияющих на электромагнитную совместимость некоторых приборов, то в предложенной системе они полностью исключены, в отличие от существующей системы распределения электроэнергии, оснащенной импульсным устройством для контроля изоляции, в которой импульсные помехи при ее работе неизбежны.

Совокупность признаков, подобная рассмотренной в данном предложении, не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Изобретение предполагается использовать на изделиях предприятия в составе систем распределения электроэнергии.

В настоящее время предложенная концепция построения системы распределения электроэнергии с контролем изоляции на корпус («землю») изделия рассматривается на предмет включения ее в техническое задание.

Использованная литература

1. Пинигин Н.Я., Болдырев В.И. Система распределения электроэнергии на постоянном токе от шин общего источника. Патент РФ № 2201645, H02J 1/00.

2. Леденев Г.Я., Федосов А.А. Многоканальный коммутатор напряжения. Патент РФ № 2214041, Н03К 17/08.

3. Бородянский М.Е., Бородянский И.М. Способ измерения электрического сопротивления изоляции. Патент РФ № 2200329, G01R 27/16.

Использование: в электротехнике, в частности в системах распределения электроэнергии самолета, корабля или космического аппарата (КА). Технический результат заключается в увеличении эксплуатационной надежности системы распределения электроэнергии путем обеспечения достоверного контроля сопротивления изоляции системы и питаемой ею аппаратуры. Система содержит блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами, дополнительные коммутаторы, подключенные к выходным шинам блока питания, которые через первый и второй резисторы с одинаковыми номиналами соединены с первым входом контрольно-измерительного прибора и корпусом («землей») изделия, а через третий и четвертый резисторы с одинаковыми номиналами - со вторым входом контрольно-измерительного прибора, имитатор сопротивления изоляции входами подключен к выходам дополнительных коммутаторов, а общей точкой подключен к корпусу («земле») изделия, при этом имитатор выполнен в виде дополнительных резисторов, первые выводы которых соединены с его входами, а вторые выводы соединены с его общей точкой. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система распределения электроэнергии, содержащая блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами цепей питания приборов, отличающаяся тем, что в нее введены четыре резистора, контрольно-измерительный прибор, дополнительные коммутаторы, подключенные к выходным шинам блока питания, и имитатор сопротивления изоляции, причем выходные шины блока питания, через первый и второй резисторы с одинаковыми номиналами соединены с первым входом контрольно-измерительного прибора и корпусом («землей») изделия, а через третий и четвертый резисторы с одинаковыми номиналами соединены со вторым входом контрольно-измерительного прибора, имитатор сопротивления изоляции входами подключен к выходам дополнительных коммутаторов, а общей точкой подключен к корпусу («земле») изделия, при этом имитатор сопротивления изоляции выполнен в виде дополнительных резисторов, первые выводы которых соединены с его входами, а вторые выводы соединены с общей точкой имитатора сопротивления изоляции.2. Система распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй резисторы выполнены с возможностью их одновременного изменения, например, с помощью сигналов контрольно-измерительного прибора.