УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ, ПОТРЕБЛЕННОЙ РЕЛЬСОВЫМ ТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ ИЗ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G01R15/04 G01R19/25 B60L3/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для измерения электрической мощности, отданной рельсовому транспортному средству высоковольтной линией электропитания. В частности, изобретение относится к устройству для измерения электрической мощности, потребленной рельсовым транспортным средством, содержащему токовый датчик, функционально соединенный с указанной линией электропитания, резистивный делитель напряжения, функционально подсоединенный между указанной линией электропитания и электрическим выводом заземления, первый процессор, соединенный с указанным токовым датчиком и выполненный с возможностью генерирования сигналов или данных, отражающих интенсивность тока, потребленного транспортным средством из линии электропитания, и второй процессор, соединенный с выходом указанного делителя напряжения и выполненный с возможностью генерирования сигналов или данных, отражающих напряжение указанной линии электропитания.

Уровень техники

Устройство данного типа описано, например, в европейском патентном документе EP 1882954 A1. В раскрытом там устройстве токовый датчик, делитель напряжения и относящийся к нему процессор установлены в верхней полости (или высоковольтной области) внутри изолятора, отделенного второй полостью (или низковольтной областью), образованной в нижней части того же самого изолятора, дополнительно содержащего преобразователь электрической энергии в световую, предназначенный для выдачи мощности к указанному процессору, в также электронно-оптические преобразователи, обеспечивающие сигналы/данные, указывающие напряжение и соответствующий ему ток.

Одна задача настоящего изобретения состоит в создании устройства для измерения электрической мощности, потребленной рельсовым транспортным средством, имеющего инновационную архитектуру, которое, в частности, обеспечивает высокую надежность даже при наличии значительных перенапряжений (бросков напряжения).

Раскрытие изобретения

Данная поставленная задача наряду с прочими решается согласно изобретению устройством охарактеризованного выше типа, в котором вывод с наименьшим потенциалом делителя напряжения соединен с пластинообразным элементом, выполненным из электропроводящего материала и проходящим снаружи полости указанного линейного изолятора, и на нижнем конце указанного изолятора подсоединен полый корпус, выполненный из электропроводящего материала и приспособленный для соединения с землей, в котором расположены указанный второй процессор, указанный полый корпус, имеющий пластиноподобную стенку, расположенную противолежащей указанному пластинообразному элементу на заданном расстоянии от него, подходящем для совместного с ним образования разрядника, способного к генерированию электрического разряда при превышении напряжением на его концах заданного значения.

Такое решение позволило предложить устройство для измерения электрической мощности, потребленной из высоковольтной линии электропитания, находящееся в соответствии с преобладающими стандартами, в частности, стандартом EN50463.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения изложены в приведенном ниже подробном описании, носящем лишь иллюстративный и не ограничивающий характер и сделанном со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

- на фиг. 1 – изображение в аксонометрии предлагаемого в изобретении устройства для измерения электрической мощности;

- на фиг. 2 – принципиальная схема, содержащая блоки, иллюстрирующие предлагаемое в изобретении устройство для измерения электрической мощности;

- на фиг. 3 – частичный вид снизу в аксонометрии устройства для измерения электрической мощности, показанного на фиг. 1;

- на фиг. 4 – вертикальный разрез по линии IV-IV, обозначенной на фиг. 1; и

- на фиг. 5 – увеличенный выносной фрагмент нижней части изображения, приведенного на фиг. 4.

Осуществление изобретения

На чeртежах номером позиции "1" обозначено как единое целое предлагаемое в изобретении устройство для измерения электрической мощности, отданной рельсовому транспортному средству высоковольтной линией (L) электропитания.

Линия электропитания представляет собой, например, линию переменного тока напряжением 25 кВ с частотой 50 Гц, либо линию переменного тока напряжением 15 кВ с частотой 16 + 2/3 Гц, либо линию постоянного тока напряжением 3 кВ.

В показанном иллюстративном варианте выполнения измерительное устройство 1 содержит традиционный линейный изолятор 2, на верхней части которого установлено верхнее вместилище, целиком обозначенное номером позиции "3", а на его базовой части прикреплено нижнее основание, или вместилище 4.

Как показано на фиг. 1, 2 и 4, верхнее вместилище 3 содержит верхнюю горизонтальную металлическую пластину 5 и нижнюю горизонтальную металлическую пластину 6, расположенные так, что части их проекций взаимно перекрываются друг с другом (см. фиг. 2).

Между обращенными друг к другу участками пластин 5 и 6 имеется несколько штырьков 7, электрически соединенных между собой параллельно для совместного образования шунтирующего резистора (шунта) с сопротивлением заданного значения, например, около 10 мкОм.

Как схематически показано на фиг. 2, верхняя металлическая пластина 5 разработана с возможностью функционального соединения с высоковольтной линией L электропитания, например, посредством пантографа 8. С противоположной стороны, нижняя металлическая пластина 6 предназначена для соединения с тяговыми электродвигателями.

Как показано на фиг. 2, пластины 5 и 6, или выводы шунтирующего резистора, образованные параллельными штырьками 7, соединены с входом схемы 9 обработки и усиления, которая формирует сигналы и выдает их на свои выходы, а именно: на выход 9a выдает сигнал, указывающий напряжение переменного тока на контактной подвеске L, а на выход 9b – сигнал, отражающий напряжение постоянного тока на указанной контактной подвеске.

Выходные сигналы из схемы 9 пропускаются через соответствующие усилители 10a, 10b и поступают на соответствующие входы блока 11, действующего в качестве мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Данный блок 11 соединен с блоком управления и обработки, реализованным, например, с использованием программируемой пользователем вентильной матрицы (сокр. FPGA от англ. "field-programmable gate array") 12, и работает под его управлением.

Блок 12 управления и обработки соединен с входом электронно-оптического формирователя (преобразователя) 13, выход которого связан с оптоволокном 14.

Блок 12 также соединен с выходом электронно-оптического приемника/преобразователя 15, вход которого связан с оптоволокном 16.

Хотя на приведенной на фиг. 2 схеме дискриминатор 9, усилители 10a, 10b, АЦП-мультиплексор 11, блок 12 и преобразователи 13 и 15 показаны находящимися снаружи изолятора 2, в реальности эти (и прочие, описанные ниже) устройства смонтированы на печатной плате 17, установленной в нижней концевой части осевой полости 18, образованной в изоляторе 2 (см. фиг. 4).

Как показано на фиг. 2, напряжения электропитания постоянного тока, требующиеся для запитки смонтированных на печатной плате 17 устройств, получаются при помощи лазерного приёмника 19, использующего оптоволокно 20 для приема луча силового лазера (мощностью, например 2 Вт) и преобразующего оптическую энергию в электроэнергию, подаваемую им к блоку 21 управления питающим напряжением. Лазерный приёмник 19 и блок 21 предпочтительно установлены на той же самой печатной плате 17.

В не показанном на чертежах варианте выполнения оптоволокна 14, 16 и 20 проходят внутри полости 18 изолятора 2, от преобразователей 13, 15 и 19, смонтированных на плате 17, к компонентам (описанным далее), размещенным внутри корпуса 4 основания.

Как показано на фиг. 2, резистивный делитель напряжения, обозначенный как единое целое номером позиции "23", подсоединен между платой 5 и выводом 22, предназначенным для заземления.

В проиллюстрированном варианте выполнения делитель 23 напряжения включает в себя верхнюю резисторную группу 24 и нижний измерительный резистор 25, последовательно соединенные между собой.

В рассматриваемом иллюстративном варианте выполнения верхняя, резисторная группа 24 включает в себя три верхних резистора 24a, соединенных параллельно между собой, и последовательно соединенных с тремя нижними резисторами 24b, которые, в свою очередь, параллельно соединены между собой. Совокупное сопротивление верхней резисторной группы 24 составляет порядка 50 МОм.

Как показано на фиг. 4, в рассматриваемом иллюстративном варианте выполнения резисторы 24a имеют соответствующие верхние концы, соединенные с металлическим соединительным кольцом 26, и нижние концы, соединенные с промежуточным металлическим соединительным кольцом 27, которое также соединено с верхними концами резисторов 24b. Нижние же концы резисторов 24b соединены с нижним металлическим кольцом 28.

Кольцо 28 скреплено с электроизоляционным материалом 29, имеющим по существу дискообразную форму и закрывающим низ полости 18, образованной внутри изолятора 2 (см. также фиг. 5).

Дискообразный элемент 29 имеет по меньшей мере одно центральное отверстие 29a.

Как показано на фиг. 4 и 5, верхняя, резисторная группа 24 делителя 23 проходит полностью внутри полости 18 изолятора 2.

Как особенно хорошо видно на фиг. 5, к нижней грани дискообразного элемента 29 прикреплен пластинообразный элемент 30, выполненный из электропроводящего материала и предпочтительно также имеющий центральное отверстие 30a.

Пластинообразный элемент 30 электрически и механически соединен с проводящим кольцом 28 посредством нескольких штырьков 31, проходящих через изолирующий дисковый элемент 29.

В проиллюстрированном варианте выполнения основание 4 включает в себя металлический корпус 32, имеющий форму по существу наподобие перевернутого таза, задняя стенка 32a которого прикреплена к нижнему концу изолятора 2 посредством болтов 33 или подобных элементов и также имеет центральное отверстие 32b.

Корпус 33 снизу закрыт крышкой, которой на фиг. 5 присвоен номер позиции "35"; на данном чертеже также показана полость (камера), образованная внутри указанного корпуса 32 и обозначенная номером позиции "36".

В проиллюстрированном варианте выполнения нижняя часть корпуса 32 имеет пару горизонтальных ребер 32c, выступающих поперечно наружу и имеющих соответствующие отверстия 32d, используемые для состыковки с проводом заземления.

На стороне, противоположной ребрам 32c, в корпусе 32 имеется трубчатое цилиндрическое удлинение 32e, вставленное в соответствующий кольцевую полость, образованную в стенке изолятора 2 (см. фиг. 5).

Центральная часть задней стенки 32a металлического вместилища 32 ориентирована противолежащей пластинообразному элементу 30, от которого ее отделяет заданное калиброванное расстояние.

В совокупности пластинообразный элемент 30 и корпус 32 (и, в частности, его стенка 32a) образуют разрядник, на фиг. 2 показанный схематически и обозначенный как целое номером позиции "40". Находится он между выводом 28 с наименьшим потенциалом в верхней резисторной группе 24 и землей E.

В случае перенапряжения, превышающего заданное значение, между пластинообразным элементом 30 и стенкой 32a емкости 32 вырабатывается электрический разряд, предотвращающий повреждение, которому могли бы подвергнуться устройства, размещенные в полости 36 основания 4, 32, подробное описание которых приведено ниже по тексту.

В полости 36, образованной в основании 4, или внутри тазообразного корпуса 32, смонтированы две печатные платы 37 и 38, служащие местом установки различных устройств и описанные ниже со ссылками на изображенную на фиг. 2 схему.

Как показано на данной схеме, измерительный резистор 25, имеющий сопротивление, например, около 3 кОм, смонтирован в основании 4.

К концам указанного резистора 25 присоединен усилитель 41, выход которого соединен с АЦП 42, сопряженным с блоком 43 управления и обработки, который также представляет собой, например, программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA).

Номером позиции "44" на фиг. 2 обозначен приемник (электронно-оптический преобразователь), вход которого соединен с оптоволокном 14, по которому блок 12 управления и обработки отправляет данные, отражающие интенсивность тока, измеренного с использованием шунтирующего резистора 5-7.

Выход приемника 44 соединен с блоком 45, образованным, например, с использованием цифрового сигнального процессора (DSP, сокр. от англ. "Digital Signal Processor") и микроконтроллера. В этот блок 45 также поступают данные от блока 43, указывающие напряжение линии L, измеренное с использованием резистивного делителя 23 напряжения.

Блок 45 также соединен с передатчиком (электронно-оптическим преобразователем) 46, выход которого соединен с оптоволокном 16 для отсылки данных синхронизации в блок 12 управления и обработки.

Внутри основания 4 могут быть предусмотрены различные другие устройства, такие как блок 47 питания, используемый для подачи питающего напряжения к разным устройствам, находящимся в основании 4, электронно-оптический передатчик/преобразователь 48 с волоконно-оптическим выходом 48a для соединения с внешним оборудованием, универсальный асинхронный приемопередатчик (сокр. УАПП, англ. UART, сокр. от "Universal Asynchronous Receiver Transmitter") 49, предназначенный для подключения внешних устройств, интерфейс сетевой связи (например, сети Ethernet) 50, интерфейс 51, например, интерфейс RS-485, и релейный выход 52.

Электрические соединения находящихся внутри основания 4 устройств с "внешним миром" предпочтительно могут быть выполнены с использованием многополюсного электрического соединителя, такого как обозначенный номером позиции "53" на фиг. 1 и 3.

В основании 4 также помещается источник энергии в виде источника оптического излучения, такого как твердотельный лазерный генератор или один или несколько светодиодов.

В проиллюстрированном варианте выполнения этот источник энергии представляет собой устройство для выработки лазерного луча 60 (см. фиг. 2 и 3), который всегда размещен снаружи полости 36, образованной в корпусе 32 указанного основания. В проиллюстрированном варианте выполнения этот лазерный генератор 60 посажен во внешнюю выемку 32f корпуса 32, будучи закрыт и защищен фасонной крышкой 61 (см. фиг. 1, 2 и 3), с возможностью снятия прикрепленной к корпусу 32.

Определенно, срок службы существующих в настоящее время твердотельных лазерных генераторов значительно короче ожидаемого срока службы предлагаемого в изобретении устройства 1 для измерения электрической мощности, из-за чего может понадобиться замена такого генератора в течение срока службы указанного измерительного устройства.

Для облегчения замены лазерного генератора 60 и снижения связанных с ней затрат в настоящем изобретении указанное устройство посажено снаружи основания 4, так что можно быстро получить доступ к нему и заменить его, просто сняв защитную крышку 61.

В альтернативном видоизмененном варианте выполнения источник оптической энергии может быть встроен в защитную крышку 61.

На фиг. 5 также показано, что полость 36 внутри корпуса 32 основания 4 сообщается с внешней средой через одно или более отверстий 32g.

Вышеописанное измерительное устройство 1 работает по существу следующим образом.

Как изложено выше, устройства, базируемые на печатной плате 17, расположенной в верхней части внутренней полости изолятора 2, с использованием резистивного шунта 5-7 измеряют интенсивность потребленного из линии L тока. Блок 12 управления и обработки отправляет соответствующие данные в блок 45, находящийся в основании 4 измерительного устройства 1 посредством электронно-оптического преобразователя 13, оптоволокна 14 и электронно-оптического преобразователя (приемника) 44.

В блок 45 также поступают данные, указывающие напряжение линии L посредством резистивного делителя 23.

Затем блок 45 может вычислять мощность, потребленную линией L, которая по существу пропорциональна произведению интенсивности потребленного тока и напряжения на линии. С использованием информации о поглощенной мощности блок 45 также может вычислять то, какое количество энергии потреблено линией L на протяжении данного периода времени, вычислив интеграл произведения мощности на время.

В случае перенапряжения, превышающего заданное значение, разрядник 40 создает разряд на землю, обеспечивая тем самым защиту всех устройств, смонтированных на основании 4 измерительного устройства 1.

Разумеется, даже при условии соблюдения принципа изобретения, возможны широкие вариации в отношении средств осуществления и конкретных вариантов выполнения, со значительными отличиями от описанных и проиллюстрированных в настоящем документе, которые следует считать лишь не ограничивающим примером, без выхода при этом за пределы объема изобретения, установленного в прилагаемой формуле изобретения.

Предлагается устройство (1) для измерения электрической мощности, потребленной рельсовым транспортным средством из высоковольтной линии электропитания. Устройство включает токовый датчик (5-7), соединенный с указанной линией (L) электропитания, резистивный делитель (23) напряжения, подсоединенный между линией (L) электропитания и электрическим выводом (22; 32c) заземления, первые обрабатывающие устройства (9-13), соединенные с токовым датчиком (5-7) и выполненные с возможностью генерирования сигналов или данных, отражающих интенсивность тока, потребленного из линии (L) электропитания, и вторые обрабатывающие устройства (41-45), соединенные с выходом (28) делителя (23) напряжения и выполненные с возможностью генерирования сигналов или данных, отражающих напряжение линии (L) электропитания. Токовый датчик (5-7) и сопряженные с ним обрабатывающие устройства (9-13), а также делитель (23) напряжения расположены в полости (18) внутри линейного изолятора (2). Вывод (28) с наименьшим потенциалом делителя (23) напряжения соединен с пластинообразным элементом (30), выполненным из электропроводящего материала и проходящим снаружи полости (18) указанного изолятора (2). К нижнему концу изолятора (2) подсоединен полый корпус (32), выполненный из электропроводящего материала и с возможностью соединения с землей, в котором расположены указанные вторые обрабатывающие устройства (41-45). Полый корпус (32) имеет пластиноподобную стенку (32a), расположенную противолежащей пластинообразному элементу (30) на заданном расстоянии, подходящем для совместного с ним образования разрядника (40). Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает создание устройства для измерения электрической мощности, потребленной рельсовым транспортным средством, имеющего инновационную архитектуру, которое, в частности, обеспечивает высокую надежность даже при наличии значительных перенапряжений (бросков напряжения). 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (1) для измерения электрической мощности, отданной рельсовому транспортному средству высоковольтной линией (L) электропитания, включающее:

токовый датчик (5-7), функционально соединенный с указанной линией (L) электропитания,

резистивный делитель (23) напряжения, функционально подсоединенный между указанной линией (L) электропитания и электрическим выводом (22; 32c) заземления,

первый процессор (9-13), соединенный с указанным токовым датчиком (5-7) и выполненный с возможностью генерирования сигналов или данных, отражающих интенсивность тока, потребленного транспортным средством из линии (L) электропитания, и

второй процессор (41-45), соединенный с выходом (28) указанного делителя (23) напряжения и выполненный с возможностью генерирования сигналов или данных, отражающих напряжение указанной линии (L) электропитания,

при этом указанный токовый датчик (5-7) и сопряженный с ним первый процессор (9-13), а также делитель (23) напряжения расположены в полости (18) внутри линейного изолятора (2),

отличающееся тем, что вывод (28) с наименьшим потенциалом делителя (23) напряжения соединен с пластинообразным элементом (30), выполненным из электропроводящего материала и проходящим снаружи полости (18) указанного изолятора (2), и на нижнем конце указанного изолятора (2) подсоединен полый корпус (32), выполненный из электропроводящего материала и приспособленный для соединения с землей, в котором расположены указанный второй процессор (41-45), указанный полый корпус (32), имеющий пластиноподобную стенку (32a), расположенную противолежащей указанному пластинообразному элементу (30) на заданном расстоянии от него, подходящем для совместного с ним образования разрядника (40), способного к генерированию электрического разряда при превышении напряжением на его концах заданного значения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для запитки электроэнергией указанного первого процессора (9-13) предусмотрен лазерный генератор (60), установленный в указанном полом корпусе (32) и связанный с указанным процессором (9-13) оптоволокном (20), проходящим в полости (18) указанного линейного изолятора (2).

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что лазерный генератор (60) расположен во внешнем посадочном гнезде (32f) указанного полого корпуса (32), закрытого крышкой (61), с возможностью съема прикрепленной к указанному полому корпусу (32).