Разрядник для защиты от перенапряжений системы светосигнального оборудования аэродрома и вторичная цепь системы светосигнального оборудования аэродрома Российский патент 2018 года по МПК H02H9/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к системам светосигнального оборудования аэродрома и, в частности, к защите от перенапряжений систем светосигнального оборудования аэродрома.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Одним из важных аспектов аэродрома или аэропорта является должное функционирование системы светосигнального оборудования или наземного аэронавигационного освещения (aeronautical ground lighting) (AGL). Такая система освещения содержит, например, систему входных огней взлетно-посадочной полосы, светосигнальное оборудование взлетно-посадочной полосы и систему огней рулежной полосы.

Различные компоненты, используемые в области освещения, работают в крайне тяжелых условиях, так как температуры на открытых аэродромах существенно варьируются, и различные химические вещества используются при эксплуатации и техническом обслуживании самолетов и аэродрома. Поэтому к компонентам системы освещения предъявляют жесткие требования. Компоненты обычно устанавливаются в колодцах или контейнерах, но они также могут быть заглублены непосредственно в грунт. В нормальном режиме работы они должны быть абсолютно устойчивы к воде, льду, керосину, антифризам, антиоблединительным жидкостям и т.д. при рабочих напряжениях до 5 кВ.

Корпус для таких компонентов должен также быть достаточно устойчивым, чтобы работать в качестве амортизатора и защищать различные компоненты. Как правило, для аэропортов срок службы трансформаторов и разъемов должен составлять 10-20 лет в таких трудных условиях.

В системах светосигнального оборудования аэродрома имеются два типа питания для осветительных устройств, расположенных вдоль взлетно-посадочной полосы или рулежной полосы: последовательное питание и параллельное питание. При параллельном питании происходит нарастающее падение напряжения от одного источника света к другому даже при значительных сечениях кабеля. Это является причиной того, что уровни освещенности изменяются. По этой причине системы с последовательным питанием являются более распространенными в аэродромном освещении.

Цепь с последовательным питанием использует стабилизатор тока, изолирующие трансформаторы и лампы, специально разработанные для номинального тока. В последовательной цепи ток подается в токовую петлю, в которой первичные обмотки изолирующих трансформаторов соединены последовательно. Вторичные обмотки изолирующих трансформаторов предоставляют заданный ток для осветительного устройства. Номинальный ток в цепях систем с последовательным питанием составляет чаще всего 6,6 ампер, но ток может изменяться.

Первичная цепь питается с помощью регулируемого стабилизатора тока (constant current regulator) (CCR), который позволяет получить номинальную интенсивность света для приборов при токе 6,6 A. Яркость света регулируется путем уменьшения тока, как правило, 5 различными ступенями. Последовательная цель, которая, таким образом, известна как первичная цепь, состоит из одножильного кабеля, соединяющего разделительные трансформаторы последовательно.

Трансформаторы выполняют двойную функцию. Во-первых, трансформаторы защищают персонал путем изолирования вторичной цепи от высокого напряжения первичной цепи. Во-вторых, трансформаторы дают возможность поддерживать целостность первичной цепи, когда источник света во вторичной обмотке выходит из строя. Таким образом, ток в первичной обмотке течет ко всем трансформаторам, обеспечивая функционирование исправных источников света.

Вторичная обмотка каждого изолирующего трансформатора обычно подключается к одному источнику света с помощью одножильного кабеля или 2 одножильных проводов вторичной обмотки. Также возможно подавать питание к нескольким источникам света с помощью одного трансформатора, когда эти источники света находится близко друг к другу. Лампы, используемые в установках, могут быть, например, галогенными каскадными лампами или светодиодными лампами.

Изолирующие трансформаторы оснащаются 2 первичными кабелями и одним вторичным кабелем с литыми разъемами. Трансформаторы могут быть закопаны вблизи от источника света, но предпочтительно, чтобы они размещались в корпусе в смотровых колодцах.

Первичный кабель, оборудованный смонтированными на месте разъемами, подключается на участках от одного трансформатора к другому в одной и той же цепи, пока эта цепь образует петлю с выходящими и входящими кабелями, подключенными к стабилизатору тока. Первичный кабель обычно закапывается в траншее, соединяющей смотровые колодцы, между двумя слоями песка, вне досягаемости камней или каких-либо объектов, которые могли бы повредить его.

Хотя это является более дорогостоящим, использование кабеля с экраном настоятельно рекомендуется в странах с частыми грозами. Неэкранированный кабель обычно должен быть защищен от воздействия погодных условий с помощью эквипотенциального провода заземления, расположенного примерно в 10 см над кабелем в траншее.

Экран и эквипотенциальный провод соединены с заземляющим соединителем стабилизатора тока. На кабелях с экраном этот экран изолируется с помощью защитной оболочки и должен быть соединен с заземляющими стержнями примерно через каждые 300 м.

Смотровые колодцы могут быть выполнены из сварной стали или сборного бетона. Последняя система предпочтительна, так как все риски коррозии исключаются. Они должны быть покрыты стальной или железобетонной плитой. Должно быть предусмотрено средство для дренажа.

В некоторых случаях для утопленных огней взлетно-посадочной полосы трансформатор и структура вторичной цепи помещаются под самим источником света в приспособлении, известном как «контейнер». Это решение представляет неудобство, заключающееся в том, что высоковольтные первичные кабели проходят под взлетно-посадочной полосой, тем самым создавая существенные трудности для проведения ремонта в случае неисправности этих кабелей. Геометрические размеры установок осветительной арматуры стандартизированы и пространство под источником света весьма мало. Это ограничивает максимальный размер компонентов, которые могут быть подключены к вторичной цепи. Пространство для установки в колодцах и особенно в контейнерах очень ограничено, что выдвигает определенные требования к физическому размеру изделий.

Подводка вторичного кабеля, которая представляет собой кабель с обычно собранными на месте вилкой и розеткой или является предварительно изготовленной с литыми соединительными частями, соединяет источник света с трансформатором при помощи герметичной вилки. Это соединение, идущее вдоль траншеи в токопроводе в дорожном покрытии или в кабелепроводе, может быть выполнено с помощью двухполюсного кабеля или двух сегментов однополюсного кабеля, соединенного на стороне трансформатора с вилкой комплекта. Это вторичное оборудование является оборудованием с напряжением 1 кВ, изолированным в соответствии с требованиями, которые представлены в FAA 150-5345-26D.

В некоторых климатических регионах грозы и молнии происходят гораздо чаще, чем в других регионах. Известно, что имеются разрядники для защиты от перенапряжений, обеспечивающие молниезащиту в первичной цепи. Такие устройства должны выдерживать высокие напряжения (до 5000 B) в первичной цепи, что делает подобные устройства большими по размеру и довольно дорогими. Большой размер не дает возможность размещать эти устройства в установках под источником света. Если устройство выходит из строя из-за прямого удара молнии, стоимость замены устройства достаточно велика, и также вся цепь, в худшем случае состоящая из более чем 200 AGL-фитингов, должна быть выключена в процессе этой операции.

Правила FAA (Федеральное управление авиации США) требуют, чтобы источники света были защищены от импульсных токов. В случае наведенного перенапряжения источники света должны быть защищены с помощью встраивания в систему защиты от перенапряжения, как определено в FAA Engineering Brief No. 67 (номинальный разрядный ток 8/20 мкс 5 кА).

Благодаря электрической эффективности и управляемости светодиоды все больше используются в качестве источников освещения в аэродромных сооружениях. Светодиодные источники света требуют дополнительных схем во вторичной цепи, и, следовательно, расходы, связанные с освещением, вырастают. Кроме того, во вторичной цепи должны быть предусмотрены некоторые диагностические функции, включая связь и передачу данных.

Одной из проблем, связанных с вышеописанной схемой, является то, что защита, предоставляемая с помощью установок для защиты от перенапряжений, несколько ограничена. Затраты на эксплуатацию и обслуживание системы возрастают, когда описанная защита используется в климатических условиях, где высока частота грозового разряда. Определенное количество дополнительных схем во вторичной цепи увеличивает стоимость обслуживания, если защита от перенапряжений не способна эффективно ограничить напряжения и токи. Более того, упомянутое время простоя является дорогостоящим, так как аэропорты или взлетно-посадочные полосы могут быть закрыты.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание разрядника для защиты от перенапряжений, а также вторичной цепи, таким образом, чтобы уменьшить вышеуказанные недостатки. Цели изобретения достигаются с помощью схемы, которая характеризуется тем, что указано в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение основано на идее создания герметичного разрядника для защиты от перенапряжений с разъемами для установки во вторичной цепи системы освещения аэродрома.

Преимуществом схемы согласно настоящему изобретению является то, что защита, создаваемая этой схемой, является более эффективной при защите осветительного оборудования, чем в известных системах. В известных системах, когда импульсное напряжение прилагается к источнику света или осветительному прибору, расположенному на аэродроме, это импульсное напряжение может распространиться на первичную цепь и другие осветительные приборы, расположенные поблизости от источника импульсного напряжения. В соответствии с настоящим изобретением, ток, возникший в результате броска напряжения, направляется в землю на вторичной стороне осветительной установки, так что высокие токи не вызывают какого-либо существенного ущерба в других установленных осветительных приборах. Известные разрядники для защиты от перенапряжений осветительных приборов поставляются в качестве составных частей этих осветительных приборов для защиты самих осветительных приборов.

Разрядник для защиты от перенапряжений согласно изобретению позволяет защищать первичную цепь и соседние вторичные цепи от удара молнии, которая поражает осветительный прибор. Если молния ударяет в осветительное устройство на вторичной стороне, большой ток течет через изолирующий трансформатор к первичной цепи. Если первичная цепь серьезно повреждена, стабилизатор тока может быть не в состоянии создать необходимый ток для первичной цепи, а значит, вся система освещения выйдет из строя.

Поскольку напряжение вторичной цепи системы освещения значительно ниже, чем в первичной цепи, разрядник для защиты от перенапряжений может быть выполнен меньшим, чем те, которые используются в первичной цепи. Меньший размер позволяет размещать разрядники для защиты от перенапряжений в непосредственной близости от источников света и других схем, относящихся к источникам света. Разрядники для защиты от перенапряжений согласно изобретению могут быть размещены в контейнерах или колодцах вместе с осветительными приборами.

С разрядником для защиты от перенапряжений согласно изобретению повышается прежде всего защита источников света и схем, относящихся к источникам света. Современные системы светосигнального оборудования аэродрома используют светодиоды в качестве источников света благодаря преимуществам светодиодной технологии. Светодиодные источники света и необходимые для них схемы достаточны дороги при сравнении, например, с традиционными галогенными лампами накаливания. Кроме того, вторичная цепь может также включать в себя электронные схемы, которые используются для мониторинга и управления работой источника света. Вторичная цепь с разрядником для защиты от перенапряжений защищает также другие компоненты и схемы, наряду с источником света. Вторичная цепь согласно изобретению, таким образом, обеспечивает экономически эффективную защиту для установленных компонентов, так как пространство для установки разрядников для защиты от перенапряжений меньше, чем требуется для известных разрядников для защиты от перенапряжений первичной цепи. Кроме того, повышенная защита уменьшает затраты на обслуживание, так как дорогостоящие источники света и связанные с ними схемы правильно эксплуатируются в течение более длительных периодов времени.

Поскольку разрядник для защиты от перенапряжений согласно изобретению является малогабаритным автономным пассивным устройством, он может быть установлен в существующих установках освещения. Разрядник для защиты от перенапряжений обеспечивает прямой путь тока через компонент, когда напряжения вторичной цепи находятся в допустимом диапазоне. Это означает, что все сигналы и электрическая энергия могут проходить через разрядник для защиты от перенапряжений без каких-либо изменений в форме волны. Кроме того, так как разрядник для защиты от перенапряжений согласно изобретению содержит разъемы, устройство может быть легко прикреплено к существующим установкам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение будет описано более подробно посредством предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

Фиг. 1 представляет упрощенную схему системы светосигнального оборудования аэродрома с последовательным питанием;

Фиг. 2 и 3 представляют примеры вторичных цепей с разрядниками для защиты от перенапряжений; и

Фиг. 4 представляет пример схемы разрядника для защиты от перенапряжений.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показана схема, используемая обыкновенно в системе светосигнального оборудования аэродрома. Стабилизатор тока подает стабильный ток в петлю, которая формируется из последовательного соединения первичных обмоток разделяющих трансформаторов и кабельного подключения трансформаторов. Стабилизатор тока регулирует выходное напряжение таким образом, что требуемый ток будет течь через первичные цепи трансформаторов. Вторичные обмотки трансформаторов обеспечивают питанием вторичные цепи, которые оборудованы источниками света или устройствами освещения, например светодиодами.

Согласно настоящему изобретению разрядник для защиты от перенапряжений содержит герметизированный корпус для защиты схем разрядника и разъемы для электрического соединения разрядника и вторичной цепи. Разрядник для защиты от перенапряжений выполнен с возможностью создавать путь тока с низким импедансом на землю для избыточных напряжений. Разрядник для защиты от перенапряжений согласно изобретению имеет возможность электрического соединения с помощью его разъемов с осветительным устройством для создания пути с низким импедансом на землю от вторичной цепи для избыточных напряжений.

Как показано на фиг. 2, разрядник 21 для защиты от перенапряжений согласно изобретению соединен с электрическими проводниками или питающими проводами, питающими источник 21 света. При работе в пределах нормальных рабочих напряжений системы разрядник 21 для защиты от перенапряжений не оказывает воздействия на подачу питания к источнику 21 света и, таким образом, обеспечивает путь для всех сигналов, поступающих во вторичную цепь. То есть путь тока с нулевым импедансом создается во вторичной цепи для подачи питания к источнику света с помощью разрядника при нормальной работе вторичной цепи.

На фиг. 4 показан вариант осуществления разрядника для защиты от перенапряжений, который подходит для использования во вторичной цепи системы светосигнального оборудования аэродрома. В схеме используются три газоразрядные лампы (ГРЛ) (gas discharge tubes, GDT) F1, F2, F3 или аналогичные компоненты, которые изменяются от состояния высокого импеданса к состоянию низкого импеданса в зависимости от напряжения на компоненте. Две из трех ГРЛ включены последовательно между проводниками подачи рабочего питания, а центральная точка в последовательном соединении элементов соединена с землей. Один из защитных компонентов включен непосредственно между проводниками подачи питания. Когда на проводниках подачи питания накапливается чрезмерное напряжение, импеданс защитных компонентов падает и ток течет на землю.

Фиг. 2 также представляет модуль 23 управления одной лампой (single lamp control module, SLCM), подключенный на входе вторичной цепи, т.е. на выходе вторичной обмотки трансформатора 24. Модуль 23 управления одной лампой является устройством, которое может управлять источником света желаемым образом и отслеживать рабочее состояние источника 21 света. SLCM может содержать электронные схемы, которые организованы таким образом, чтобы обнаруживать закодированную информацию в подаваемых напряжении или токе. Кроме того, SLCM может также передавать информацию, относящуюся к работе источника света, в централизованную систему управления.

Фиг. 2 также показывает другие трансформаторы 25, подключенные к первичной цепи. Ясно, что другие трансформаторы могут также включать в себя вторичные цепи, которые подобны цепям, описанным более подробно. На фиг. 2 показано, как молния ударяет в источник 21 света. В такой ситуации сильный ток протекает через источник света, и частичный ток протекает через проводник к разряднику 22 для защиты от перенапряжений. Когда напряжение в разряднике для защиты от перенапряжений возрастает, импеданс разрядника для защиты от перенапряжений очень сильно падает и ток проходит через разрядник для защиты от перенапряжений в землю. На фиг. 2 показаны установки, расположенные в кабельном колодце 26, который заземлен, и разрядник для защиты от перенапряжений соединен с землей путем подключения клеммы заземления разрядника для защиты от перенапряжений к кабельному колодцу.

Несмотря на то, что источник света будет, вероятно, разрушен прямым ударом молнии, разрядник для защиты от перенапряжений защитит другие компоненты вторичной цепи. Наряду с защитой вторичной цепи разрядник для защиты от перенапряжений также защищает изолирующий трансформатор, первичную цель и другие вторичные цепи. Таким образом, разрядник для защиты от перенапряжений работает таким образом, чтобы защитить подачу питания, тогда как типичные разрядники для защиты от перенапряжений защищают одиночные нагрузки.

Когда молния ударяет рядом с установкой вторичной цепи, в проводах вторичной цепи будут наводиться перенапряжения. Подобно тому, как показано на фиг. 2, разрядник для защиты от перенапряжений согласно изобретению будет работать для замыкания тока на землю и тем самым смягчит влияния перенапряжения.

На фиг. 3 показана вторичная цепь с двумя разрядниками 31, 32 для защиты от перенапряжений согласно изобретению. Разрядники для защиты от перенапряжений показаны установленными с двух сторон от модуля 33 управления одной лампой во вторичной цепи установки освещения аэродрома. При использовании двух разрядников для защиты от перенапряжений, как показано, защита установки увеличивается дополнительно. Разрядник 31, включенный на входе вторичной цепи, помогает минимизировать напряжения или токи, поступающие от первичной стороны. В случае если бросок тока поступает на вторичную сторону трансформатора, разрядник для защиты от перенапряжений, подключенный на входе вторичной цепи, блокирует перенапряжение и тем самым защищает модуль 33 управления одной лампой или любую другую установку во вторичной цепи. Если большие ток или напряжения по-прежнему действуют в направлении источника света, второй разрядник 32 для защиты от перенапряжений будет работать для защиты источника света.

Установка на фиг. 3 повышает защиту также в случаях, когда перенапряжение приложено к источнику тока или к цепи источника тока. Разрядник 32 для защиты от перенапряжений между модулем 33 управления одной лампой и источником света защищает установку, как в примере на фиг. 2. Другой разрядник 31 для защиты от перенапряжений обеспечивает защиту путем дополнительной защиты трансформатора и первичной цепи трансформатора посредством закорачивания напряжений, которые все еще могли бы нанести вред первичной цепи и трансформатору.

Как уже упоминалось, разрядник для защиты от перенапряжений согласно изобретению содержит разъемы, с помощью которых разрядник может быть установлен во вторичной цепи. Разъемы предпочтительно выполнены в форме стандартных разъемов, позволяющих прикреплять разрядник для защиты от перенапряжений к стандартным установкам.

В соответствии с изобретением, разрядник для защиты от перенапряжений является герметичным. Герметичное уплотнение означает на практике то, что разрядник защиты от перенапряжений согласно изобретению производят таким образом, чтобы он выдерживал условия окружающей среды аэродрома, в том числе широкий диапазон температур и различные химические вещества. В соответствии с вариантом осуществления герметичная структура содержит внутреннюю структуру, отлитую под низким давлением, которая заключает в себе схемы на печатной плате. Структура дополнительно содержит внешнюю поверхность, создающую герметичную оболочку для схемы. Внутренняя структура, отлитая под низким давлением, обеспечивает механическую прочность для защиты от механических сил и вибраций, действующих на физическое устройство, в то время как внешняя поверхность обеспечивает герметическое уплотнение устройства.

Разрядник для защиты от перенапряжений варианта осуществления может быть выполнен без проводов, выходящих из оболочки устройства. В таком случае разъемы непосредственно прикрепляются к печатной плате или присоединяются проводами к печатной плате внутри защитной оболочки. Разъемы обычно включают в себя вилочную часть и розеточную часть соединителей, а также заземляющий соединитель, который может быть подсоединен проводом к заземленной точке в процессе установки устройства.

Разъемы или интерфейсы также производятся в полностью водонепроницаемом исполнении таким образом, что при подключении к ответным частям соединителей внешний материал оболочки устройства защиты от перенапряжений выходит за точку подключения. Разъемы позволяют подключать устройство защиты от перенапряжений к источнику света, возможно модулю управления одной лампой или другому подобному электронному устройству, вторичной обмотке трансформатора или другому устройству защиты от перенапряжений.

Разрядники для защиты от перенапряжений для варианта осуществления, использующего газоразрядные лампы, могут выдерживать множество случаев перенапряжений. При прямом ударе молнии в осветительное устройство величина энергии может уничтожить осветительное устройство, хотя некоторое количество тока направляется прямо на землю с помощью заземлителя лампы. В случае, когда устройство защиты от перенапряжений также разрушается от перенапряжения, это устройство защиты от перенапряжений работает для ограничения влияния перенапряжения. Так как устройство защиты от перенапряжений согласно изобретению расположено во вторичной цепи, это устройство может быть безопасно заменено на новое устройство без перерыва в работе других источников света.

Специалисту в данной области техники будет очевидно, что поскольку технология движется вперед, концепция изобретения может быть реализована различными способами. Изобретение и его варианты осуществления не ограничены примерами, описанными выше, но могут изменяться в пределах объема формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам светосигнального оборудования аэродрома, и предназначено для создания разрядника для защиты от перенапяжений. Разрядник для защиты от перенапряжений системы светосигнального оборудования аэродрома содержит первичную цепь, имеющую множество трансформаторов с первичными обмотками и вторичными обмотками, при этом первичные обмотки соединены последовательно в первичной цепи, и по меньшей мере одна из вторичных обмоток трансформаторов выполнена с возможностью подавать электроэнергию на вторичную цепь, имеющую осветительное устройство системы светосигнального оборудования аэродрома, причем разрядник для защиты от перенапряжений содержит герметичную оболочку для защиты схем разрядника и разъемы для электрического соединения разрядника с вторичной цепью, при этом разрядник выполнен с возможностью создавать для перенапряжений путь тока с низким импедансом на землю. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Разрядник для защиты от перенапряжений системы светосигнального оборудования аэродрома, которая содержит первичную цепь, имеющую множество трансформаторов с первичными обмотками и вторичными обмотками, где первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно в первичной цепи, а по меньшей мере одна из вторичных обмоток трансформаторов выполнена с возможностью подавать электроэнергию во вторичную цепь, содержащую осветительное устройство системы светосигнального оборудования аэродрома, при этом разрядник для защиты от перенапряжений содержит:

герметичную оболочку для защиты цепей разрядника; и

разъемы для электрического соединения разрядника с вторичной цепью, при этом разрядник выполнен с возможностью создавать для перенапряжений путь тока с низким импедансом на землю,

при этом герметичная оболочка содержит внутреннюю структуру, отлитую под низким давлением и охватывающую схемы разрядника, а также внешнюю структуру, охватывающую внутреннюю структуру и создающую герметичный корпус.

2. Разрядник по п. 1, где вторичная цепь содержит также модуль управления лампой, подключенный к входу вторичной цепи, а разрядник выполнен с возможностью защищать модуль управления лампой путем создания пути тока с низким импедансом для перенапряжений, которые приложены к осветительному устройству или к цепям осветительного устройства.

3. Разрядник по п. 1 или 2, который выполнен с возможностью защищать трансформатор и первичную цепь от перенапряжений, которые приложены к осветительному устройству или к цепям осветительного устройства.

4. Разрядник по любому из пп. 1-3, который содержит электрическую цепь, включающую в себя множество газоразрядных ламп, установленных на печатной плате.

5. Разрядник по любому из пп. 1-4, в котором электрическая цепь разрядника обеспечивает путь тока с низким импедансом через этот разрядник для подачи питания осветительного устройства.

6. Разрядник по п. 4 или 5, в котором разъемы включают в себя пару входных клемм (J1, J4), пару выходных клемм (J2, J5) и клемму (J3) заземления и в котором электрическая цепь содержит прямые пути (J1, J2; J4, J5) токов между соответствующими входными клеммами и выходными клеммами, последовательное соединение газоразрядных ламп (F1, F3), включенных между этими путями тока, и газоразрядную лампу (F2), включенную параллельно с последовательным соединением газоразрядных ламп (F1, F3), а клемма заземления подключена к упомянутой цепи в точке между последовательным соединением газоразрядных ламп (F1, F3).

7. Вторичная цепь системы светосигнального оборудования аэродрома, содержащая разрядник для защиты от перенапряжений по любому из пп. 1-6.