Устройство контроля пробивного напряжения средств защиты опор контактной сети и измерения потенциала "рельс-земля" на электрифицированных железных дорогах Российский патент 2024 года по МПК G01R31/12 G01R29/00 B61K9/08 

Изобретение относится к измерительной технике для интеллектуального контроля статического напряжения пробоя устройств защиты опор контактной сети железных дорог безопасным для оператора способом, измерения потенциала «рельс - земля» и снятие детальной потенциальной диаграммы «рельс - земля» в течение произвольного интервала времени, с сохранением результатов измерений в базе данных, с привязкой объекта измерения, автоматически выбираемого по измеренным географическим координатам, с возможностью передачи результатов измерений в режиме реального времени на центральный сервер. Может быть использовано для контроля статического напряжения пробоя устройств защиты опор контактной сети электрифицированных железных дорог на участках с тягой как на постоянном, так и переменном токе, таких как устройства коммутирующие УК-2500 и УК-1500, искровой промежуток ИП-3, искровой промежуток ИПМ-62, защитное устройство РКН-600, РКН-900 и других, а также для измерения потенциала "рельс-земля" и снятия потенциальной диаграммы "рельс-земля", а также для других устройств защиты благодаря возможностям гибкой настройки параметров измерения.

Известно устройство для измерения пробивных напряжений приборов, содержащее подлежащий испытанию прибор, накопительный и запоминающий конденсаторы, балластный резистор, разделительный диод, измерительный вольтметр, кнопку управления, разрядный резистор, источник питания. При этом кнопка управления и соединенная с ней накопительная RC-цепочка, которые соединены с испытуемым прибором через диод запоминающий конденсатор и вольтметр, причем запоминающий конденсатор через нормально-замкнутые контакты кнопки управления зашунтирован разрядным резистором, накопительная RC-цепочка подключена через вторую пару нормально замкнутых контактов кнопки управления к источнику питания, а также через пару нормально разомкнутых контактов кнопки управления к испытуемому прибору [патент РФ №795186, G01R 31/25, 20.01.1997 г.] Схема работает следующим образом. В исходном положении перед измерением при отпущенной кнопке через ее контакты и балластный резистор происходит заряд накопительной емкости конденсатора до значения Uпз. При нажатии на кнопку размыкается цепь разряда через ее контакты и разрядный резистор запоминающего конденсатора и замыкается цепь его разряда через балластный резистор, контакты кнопки и разделительный диод. Напряжение на зажимах запоминающего конденсатора, а, следовательно, и на параллельно подключенном испытуемом приборе, начинает изменяться по экспоненциальному закону. В момент времени t„ происходит пробой испытуемого прибора. При этом напряжение на накопительном конденсаторе, который начинает разряжаться через прибор, резко падает, а на запоминающем конденсаторе остается постоянным из-за наличия разделительного диода и равным напряжению пробоя испытуемого прибора. После того, как напряжение на запоминающем конденсаторе зафиксировано по вольтметру, кнопку "Измерение" можно отпустить, в результате чего запоминающий конденсатор разряжается через разрядный резистор и контакты, а накопительный заряжается через балластный резистор и контакты кнопки. Таким образом, схема приводится в исходное состояние. Устройство может применяться при контроле разрядных приборов и обеспечивает экономию электроэнергии, необходимой для единичного измерения.

Недостатком устройства является визуальное наблюдение за показаниями стрелочного индикатора устройства (вольтметра) с ручной записью в протокол измеренных значений пробивного напряжения Uпр, необходимость ручной записи информации о местоположении при проведении измерений, и невозможность с его помощью проводить измерение потенциала «рельс-земля» и построения потенциальной диаграммы.

Недостатком также является невозможность применения в полевых условиях работы на длинных перегонах опор контактной сети как постоянного, так и переменного тока при отсутствии питающей сети для источника питания, а также необходимость для измерения потенциалов «рельс-земля» и пробивного напряжения устройств контроля применять разные устройства, которые не обеспечивают требуемый предел измерений пробивного напряжения и диапазон измерения потенциала «рельс-земля», а также требуют ручного внесения данных о номере опоры или места измерений для более точной фиксации проводимых измерений.

Известно устройство ИСО-1МЗ, содержащее в своем составе автономный источник питания, вольтметр, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор. После включения питания устройства, измеренный вольтметром потенциал UP3 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с жидкокристаллическим индикатором для визуального отображения измеряемых значений UP3. Оператор с периодичностью 10 секунд заносит в протокол выведенные на индикатор значения LW Диапазон измерений от -200 до 200 В. Также устройство ИСО-1МЗ измеряет пробивное напряжение искровых промежутков (разрядников) Uпр в диапазоне измерений от 200 до 1500 В. [«Аппаратура для контроля цепи заземления железобетонных опор контактной сети ИСО-1МЗ» ТУ 3185.803.71492113.1. Внесена в Госреестр за №29798-05. Разработчик и изготовитель ООО «Электродиагност», г. Новосибирск]

К недостаткам аппаратуры ИСО-1МЗ следует отнести визуальную регистрацию выводимых на индикатор результатов измерений, ручную запись и ручную обработку результатов измерений, а также недостаточный верхний предел измерений Uпр диапазон измерений Ирз из-за наличия участков дорог с повышенными значениями указанных диапазонов.

Известно устройство контроля пробивного напряжения средств защиты опор контактной сети железных дорог и измерения потенциала «рельс-земля», содержащее автономный источник питания, операционный усилитель, вывод которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, генератор пилообразного напряжения с выводом, подключаемым к средству защиты опор, и индикатор [«Аппаратура для контроля цепи заземления железобетонных опор контактной сети ИСО-1МЗ» ТУ 3185.803.71492113.1. Внесена в Госреестр за №29798-05. Разработчик и изготовитель ООО «Электродиагност», г. Новосибирск].

Недостатком указанного устройства является низкий уровень автоматизации контроля, а именно отсутствие возможности автоматической регистрации результатов измерения, поскольку реализована визуальная регистрация выводимых на стрелочный индикатор результатов измерений, ручная запись и ручная обработка результатов измерений, а также недостаточный верхний предел измерений Uпр.и диапазон измерений Up3.

Наиболее близким устройством к заявленному техническому решению является устройство контроля пробивного напряжения средств защиты опор контактной сети железных дорог и измерения потенциала «рельс-земля» на электрифицированных железных дорогах содержащее автономный источник питания, подключенный к схеме контроля заряда, реле высокого напряжения, вычислитель, высоковольтный делитель напряжения, схему измерения тока, аналого-цифровой преобразователь [патент РФ №2795909, кл G01R 31/12, G01R 27/18) - прототип.]

Недостатком указанного устройства является следующее:

- проводимые измерения, связанные с формированием высокого напряжения (до 3000 В), требуют непосредственного присутствия оператора в зоне формирования высокого напряжения, что снижает безопасность измерений;

- перед измерением требуется ручной ввод характеристик объектов измерения (номер прогона, номер опоры, номер элемента защиты), что может приводить к непреднамеренным или умышленным искажениям результатов контроля;

- нет возможности индивидуально подстраивать параметры измерения напряжения пробоя (диапазон, закон и скорость нарастания измерительного высокого напряжения в соответствии с выбранным типом контролируемого устройства защиты, т.к. в прототипе применен генератор фиксированного пилообразного напряжения;

- нет возможности снятия диаграмм потенциала напряжения «рельс - земля» с интервалом чаще одного отсчета в 10 секунд и задания произвольной длительности диаграммы, а также отображения графика диаграммы на экране дисплея;

- нет возможности централизованного ведения базы данных контролируемых объектов с автоматическим выбором объекта в зависимости от измеренного географического положения контролируемого объекта;

- нет возможности в режиме реального времени централизованно отслеживать действия оператора и контролировать проводимые работы.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства контроля пробивного напряжения средств защиты опор контактной сети железных дорог и измерения потенциала «рельс-земля» электрифицированных железных дорог на участках с тягой как на постоянном, так и переменном токе, имеющего высокий уровень безопасности, автоматизации и гибкости настроек измерений за счет замены повышающего преобразователя и генератора пилообразного напряжения на преобразователь высокого напряжения (ПВН) с управлением от программируемого источника опорного напряжения (ИОН) при использовании модуля Bluetooth для беспроводной связи со смартфоном или планшетом, а также перенос функций клавиатуры, индикации, регистрации и хранения базы результатов измерений, определения географических координат, из измерительного блока на смартфон или планшет с установленным специализированным приложением, и добавление в приложении функций ведения базы данных объектов контроля и связи с центральным сервером через интернет.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известное устройство контроля пробивного напряжения средств защиты опор контактной сети железных дорог и измерения потенциала «рельс-земля» на электрифицированных железных дорогах, содержащее автономный источник питания, подключенный к схеме контроля заряда, реле высокого напряжения, вычислитель, высоковольтный делитель напряжения, схему измерения тока, аналого-цифровой преобразователь, введены подключенный к вычислителю программируемый источник опорного напряжения и управляемый им преобразователь высокого напряжения, с которого испытательное высокое напряжение через реле высокого напряжения поступает на первую выходную клемму для подключения к средству защиты опор, и на высоковольтный делитель напряжения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, подключенного к вычислителю, а вторая выходная клемма для подключения к средству защиты опор через схему измерения тока соединена с аналого-цифровым преобразователем, при этом в устройство дополнительно введен модуль беспроводной связи, например, Bluetooth, соединенный с вычислителем измерительного блока устройства.

Применение данных решений позволило достичь следующие результаты, отсутствующие у прототипа:

Благодаря применению преобразователя высокого напряжения, управляемого от программируемого источника опорного напряжения, возможно индивидуально для каждого выбранного из базы испытуемого объекта задавать граничный диапазон испытательных напряжений (от Umin до Umax), скорость нарастания и форму изменения высокого напряжения, максимально допустимый ток утечки, определенных для заданного типа испытуемого элемента защиты.

Беспроводное подключение измерительного блока к смартфону, благодаря введения модуля беспроводной связи, например, Bluetooth повышает безопасность, поскольку не требует непосредственного присутствия оператора в зоне формирования высокого напряжения (до 3000 В) при проведении измерений, использующих генерацию высокого напряжения.

Использование модуля определения координат в смартфоне или планшете позволяет более точно определять координаты места измерения, поскольку современные смартфоны используют несколько спутниковых систем: GPS, GLONASSS, Galileo, Beidou и AGPS в отличие от одной системы GPS в известном устройстве. Это позволяет более достоверно определять тип и наименование объекта измерения (номер опоры, прогон, список серийных номеров разрядников) выбирая его автоматически из базы данных объектов измерения по измеренным географическим координатам, тем самым исключая ошибки оператора (как умышленные, так и непреднамеренные). Также позволяет визуализировать на экране смартфона результаты измерения на карте местности.

Использование беспроводного соединения со смартфоном или планшетом позволяет значительно упростить и удешевить сам измерительный блок, поскольку позволяет отказаться от ЖК-индикатора и клавиатуры, флэш-памяти, модуля GPS и интерфейса USB, перенеся функции определения координат, хранения архива, управления и индикации в приложение на смартфоне (планшете), что снижает себестоимость измерительного блока и повышает его надежность, энергоэффективность и автономность.

Использование технологии зарядки QC4.0 (Quick Charge 4.0) повышает скорость заряда аккумулятора измерительного блока и позволяет использовать стандартное зарядное устройство от смартфона либо планшета для заряда измерительного блока.

У смартфона или планшета значительно большая память, экран с большим разрешением и быстродействующее ядро, что позволяет в приложении для регистрации измерений хранить значительно более подробную информацию об измерении, не только цифровой результат (напряжение пробоя), но и осциллограмму изменения испытуемого напряжения и тока утечки, а также строить диаграмму потенциала «рельс-земля» с временным разрешением вплоть до 100 измерений в секунду, что превышает все известные аналоги, и появляется возможность выполнять измерения динамики потенциала «рельс-земля», вызванной приближением, прохождением и удалением электроподвижного состава с отображением графика в приложении в реальном времени.

При наличии сотовой связи в зоне проводимых работ, диспетчер может в реальном времени следить за работой операторов на местности.

Использование приложения и ПО на сервере позволяет оперативно и централизованно поддерживать актуальную базу объектов контроля, совершенствовать методики и алгоритмы измерений в соответствии с новыми возникающими задачами, поскольку доработка и обновление приложения обходится существенно дешевле и быстрее доработки встроенного программного обеспечения измерительного блока, и может обновляться удаленно.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;

- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь меду ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

На чертеже представлена схема заявленного устройства, где на фиг. 1 изображена блок-схема измерительного блока.

Устройство контроля пробивного напряжения средств защиты опор контактной сети железных дорог и измерения потенциала «рельс-земля» на электрифицированных железных дорогах, содержит автономный источник питания (аккумуляторная батарея АКБ), подключенный к схеме контроля заряда АКБ, вычислитель (В), программируемый источник опорного напряжения (ИОН), управляемый им преобразователь высокого напряжения (УПВН), с которого испытательное высокое напряжение через реле высокого напряжения (РВН) поступает на первую выходную клемму (Выход 1), для подключения к средству защиты опор, и на высоковольтный делитель напряжения (ВД), выход которого соединен с входом измерения напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), подключенного к вычислителю, а вторая выходная клемма (Выход2) для подключения к средству защиты опор, через схему измерения тока (СИТ) соединена со входом измерения тока аналого-цифровым преобразователем. К вычислителю подключен также модуль беспроводной связи, например, Bluetooth, для сопряжения со смартфоном или планшетом.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключаются в следующем. В режиме измерения статического напряжения пробоя мгновенное значение выходного высокого напряжения программируется в источнике опорного напряжения, это опорное напряжение управляет преобразователем высокого напряжения, с которого напряжение максимум до 3000 В при токе утечки максимум до 1 мА поступает через включенное реле высокого напряжения на выход 1,2 к которому подключено испытуемое устройство защиты. Через высоковольтный делитель мгновенный уровень высокого напряжения измеряет канал напряжения АЦП, подключенный к микроконтроллеру. Канал тока АЦП измеряет мгновенный ток в цепи измерения. Частота измерений по обоим каналам до 100 раз в секунду. При плавном повышении измерительного напряжения ток в цепи измерения отсутствует до момента пробоя устройства защиты. В момент пробоя ток резко возрастает, что останавливает цикл измерения, а максимальная величина измеренного напряжения запоминается как напряжение срабатывания испытуемого устройства защиты. Скорость нарастания высокого напряжения и закон изменения, а также диапазон от Umin до Umax задаются автоматически для каждого типа испытуемого устройства защиты, что позволяет настраивать испытательные режимы для самых разных защитных устройств. Тип защитного устройства выбирается автоматически по локальной базе данных приложения на основании измеренных географических координат, а результаты испытаний с привязкой времени сохраняются в локальной базе данных и передаются на удаленный сервер по сотовой связи. При отсутствии испытуемого объекта в базе данных его можно добавить в базу, как новый объект, введя необходимую информацию.

В режиме измерения потенциала и построения диаграммы "рельс-земля" высоковольтное реле отключает генератор высокого напряжения, а внешнее напряжение на выходе 1,2 измеряется каналом напряжения АЦП. Частота измерения программируется от 100 раз в секунду до 1 раз в 10 секунд. По результатам измерения строится график на экране смартфона, а данные графика с привязкой времени и географических координат сохраняются в локальной базе данных и передаются на удаленный сервер по сотовой связи.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно, для контроля статического напряжения пробоя устройств защиты опор контактной сети железных дорог и для измерения потенциала "рельс-земля", может быть использовано для контроля статического напряжения пробоя устройств защиты опор контактной сети электрифицированных железных дорог на участках с тягой как на постоянном, так и переменном токе;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет создать устройства контроля пробивного напряжения средств защиты опор контактной сети железных дорог и измерения потенциала «рельс-земля» электрифицированных железных дорог на участках с тягой как на постоянном, так и переменном токе, имеющее высокий уровень безопасности, автоматизации и гибкости настроек измерений.

Изобретение относится к измерительной технике для интеллектуального контроля статического напряжения пробоя устройств защиты опор контактной сети железных дорог. Технический результат: повышение уровня безопасности, автоматизации и гибкости настроек измерений. Сущность: устройство содержит автономный источник питания, подключенный к схеме контроля заряда, реле высокого напряжения, вычислитель, высоковольтный делитель напряжения, схему измерения тока, аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП подключен к вычислителю программируемого источника опорного напряжения и управляемого им преобразователем высокого напряжения. С преобразователя испытательное высокое напряжение через реле высокого напряжения поступает на первую выходную клемму для подключения к средству защиты опор и на высоковольтный делитель напряжения. Выход делителя соединен с входом АЦП, подключенного к вычислителю. Вторая выходная клемма для подключения к средству защиты опор через схему измерения тока соединена с АЦП. В устройство дополнительно введен модуль беспроводной связи, например, Bluetooth, соединенный с вычислителем. 1 ил.

Устройство контроля пробивного напряжения средств защиты опор контактной сети железных дорог и измерения потенциала «рельс-земля» на электрифицированных железных дорогах, содержащее автономный источник питания, подключенный к схеме контроля заряда, реле высокого напряжения, вычислитель, высоковольтный делитель напряжения, схему измерения тока, аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что в устройство введены подключенный к вычислителю программируемый источник опорного напряжения и управляемый им преобразователь высокого напряжения, с которого испытательное высокое напряжение через реле высокого напряжения поступает на первую выходную клемму для подключения к средству защиты опор и на высоковольтный делитель напряжения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, подключенного к вычислителю, а вторая выходная клемма для подключения к средству защиты опор через схему измерения тока соединена с аналого-цифровым преобразователем, при этом в устройство дополнительно введен модуль беспроводной связи, например, Bluetooth, соединенный с вычислителем.