Способ питания от токов наведения от защищаемой коммуникации и непрерывного контроля исправности установки дренажной защиты, оснащенной телемеханикой и связью Российский патент 2024 года по МПК H02J50/00 G08B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам питания и контроля исправности телемеханики электрохимзащиты протяженных металлических коммуникаций. Коммуникации являются приемником (сборником) токов наведения, которые вызывают их интенсивную электрохимическую коррозию.

Уровень техники

Установки дренажной защиты от негативного воздействия токов наведения используются в составе комплексов электрохимзащиты подземных и наземных линейных сооружений, в том числе трубопроводов, расположенных вдоль железных дорог с электротягой на постоянном токе или/и пересекающих их. Обычно применялись простые дренажные установки, контроль за работой и исправностью которых проводится периодически обслуживающим персоналом с частотой не чаще 1 раза в месяц. Простой нетелемеханизированный дренаж, состоит из корпуса, внутри которого установлены две электрические шины - входная и выходная. Между шинами устанавливаются несколько ниток (потоков) состоящих из последовательно включенных диодов высокого напряжения и низкоомных резисторов (шунтов). Дренажные диоды имеют рабочее напряжение выше напряжения питания электровозов железной дороги, их выход из строя возможен только от превышения дренируемого от защищаемой коммуникации дренажного тока положительной полярности. Для снижения вероятности повреждения высоким значением дренируемого тока диоды включают более четырех штук параллельно. Дренажные диоды в исправном состоянии не позволяют обратный переток тока положительной полярности от рельса железной дороги на защищаемую коммуникацию. К входной шине подключают дренажный кабель большого сечения и малого сопротивления от защищаемой подстанцией железной дороги. Суть работы установок дренажной защиты заключается в отводе тока положительной полярности наводимого на находящуюся вблизи электрифицированной железной дороги токами наведения обратно на рельс или тяговую подстанцию железной дороги.

Установки дренажной защиты работают следующим образом. При прохождении электропоезда в прилегающем железной дороге грунте наводятся токи наведения, так как часть тока стекает с рельсов на землю и затем попадают на подземные и наземные металлические коммуникации, имеющие большую площадь контакта и малое сопротивление течению тока. При этом коммуникация из катода становится анодом с потенциалом в десятки, а в пике иногда до сотен вольт. Согласно закону Фарадея, скорость электрохимической реакции напрямую зависит от тока, а значит и напряжения протекающего между анодом и катодом. Под воздействием электрохимической коррозии скорость перехода атомов в ионы происходит в сотни и тысячи раз быстрее, чем просто от коррозионного воздействия грунта. Соответственно, критичные коррозионные повреждения, например, трубопровода под воздействием токов наведения при отсутствии защиты могут возникнуть за месяцы и даже быстрее.

Однако такие установки дренажной защиты периодически выходят из строя вследствие иногда и непредсказуемо возникающих скачков напряжения, в том числе с амплитудой близкой к величине напряжения в контактной сети - 3000 вольт на рельсе железной дороги. Эти скачки напряжения через дренажный кабель попадают на диоды установки и выводят ее их из строя (пробой или перегорание). При этом установка перестает защищать линейную коммуникацию от положительной полярности токов наведения и наоборот через себя пропускает их на трубу в большем количестве. Выявить неисправность можно только осмотром установки специалистом, а, значит она может быть неисправной месяцами.

Позднее на установки дренажной защиты стали ставить устройства телемеханики с передающими информацию о ее параметрах работы на пульт эксплуатирующей организации. Например, дренажная установка "Удар". Однако для питания телемеханики требовалась электроэнергия и ее приходилось подавать путем строительства воздушной линии электропередач и подключать через трансформатор и счетчики электроэнергии. Это значительно удорожало обустройство и эксплуатацию систем защиты от токов наведения.

В патентах RU 170510U1 от 28.07.2016 и RU 2637447 от 28.07.2016 описываются так называемые дренажные установки для совместной защиты, на которые электроэнергия подается от внешнего источника. RU 2637447 от 28.07.2016 описывается совмещенная дренажная установка, предусматривающая принудительную подачу защитного потенциала на защищаемое сооружение от накопителя энергии. При этом фактически подача накопленной энергии, собранной и накопленной из токов наведения для восстановления необходимого защитного потенциала сооружения не эффективна. Это объясняется тем, что от токов наведения за час можно накопить не более 3 ватт энергии из-за малого времени действия токов наведения, их большим разбросом по напряжению и ограничениям преобразователей этих токов в постоянный ток определенного напряжения для заряда накопителя (аккумулятора). В то же время для катодной защиты станции подают ток мощностью, как правило 1-3 кВт в час, а иногда и больше, т.е. несопоставимо большей мощности, которую невозможно собрать и накопить из токов наведения.

Во всех патентах токи наведения снимаются с их источника от рельса или дренажного кабеля от него до выхода дренажной установки. Такое решение на практике потенциально делает устройство телемеханики и питающий его блок с преобразователем токов наведения в ток для питания телемеханики и передачи информации уязвимым для повреждения от периодически и непредсказуемо возникающих импульсов напряжения, которые объективно значительно превышают технические характеристики элементной базы устройств питания и связи.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ, описанный в патенте на изобретение RU 2426996 от 05.10.2009. В изобретении RU 2426996 от 05.10.2009 описывается способ дистанционного контроля устройства дренажной защиты подземной только коммуникации. В указанном изобретении технический результат - дистанционный контроль устройства дренажной защиты подземной коммуникации, включающий сбор данных от дренажной установки и передачу их на диспетчерский пункт по каналам связи осуществляется за счет собранной и накопленной преобразователем энергии. Питание на преобразователь подается от двух электродов: первый это рельс железной дороги, который являющийся источником токов наведения, такой же потенциал имеет и дренажный кабель от рельса до выхода установки дренажной защиты; второй электрод это заземленный корпус дренажной установки. Предложенное в патенте RU 2426996 способ указывает на сбор токов наведения прямо от их источника - железной дороги. Это на практике делает телемеханику и питающий ее преобразователь токов наведения в ток для питания телемеханики и передачи информации уязвимым для повреждения при попадании периодически возникающих импульсов высокого напряжения от рельса через дренажный кабель. Эти импульсы напряжения возникают непредсказуемо по времени и величине при плохом контакте между рельсами, коротких замыканиях контактного провода на рельсы, неисправностях электровозов и т.п. Эти импульсы напряжения, могут достигать величин близких напряжению в контактной сети железной дороги 3000 вольт. Защита от таких импульсов требует дополнительной установки сложных, мощных и сопоставимых по стоимости с самой установкой дренажной защиты устройств и одноразовых предохранителей. Эти устройства при срабатывании требуют приведения в исходное состояние и/или замены, а значит внеочередных выездов обслуживающего персонала. Проведенный перед установкой дренажной защиты мониторинг не дает гарантии, обнаружения и учета влияния импульсов напряжения от железной дороги.

Повлиять на появление импульсов высокого напряжения от железной дороги эксплуатирующая дренажную защиту организация не может. Также в изобретении RU 2426996 от 05.10.2009 и других вышеуказанных ничего не говорится об устройствах, системах и функциях контроля исправности дренажной установки и ее элементов, и передаче сигнала о неисправности.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежной работы установки дренажной защиты с питанием телемеханики от токов наведения без дополнительных затрат величиной более 5% от стоимости самой дренажной установки без телемеханики, с последующими низкими эксплуатационными затратами. Обеспечение непрерывного мониторинга и передачи на диспетчерский пульт эксплуатирующей организации не только параметров работы дренажной установки (напряжение, потенциалы, ток на ее элементах), но фактического состояния исправности ключевых элементов дренажной установки - диодов, через которые протекает дренируемый с защищаемой коммуникации ток. Пробой любого из этих диодов вызывает негативное влияние вследствие постоянного попадания большого по потенциалу и величине тока. Перегорание с разрывом цепи любого диода вызывает перегрузку и быстрый выход из строя остальных параллельно подключенных дренажных диодов, и последующую потерю защиты коммуникации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является телемеханизированная установка дренажной защиты с автономным питанием от токов наведения, обладающая наибольшей надежностью за счет исключения выхода из строя устройства питания телемеханики и связи под воздействием непрогнозируемых импульсов высокого напряжения до 3000 вольт, попадающих на дренажную установку через дренажный кабель от рельса железной дороги при прохождении неисправных электровозов, коротких замыканиях контактной сети на рельс, нарушениях контакта между рельсами. Также изобретение позволяет осуществить непрерывный контроль исправности ключевых элементов дренажной установки - каждого из дренажных диодов и незамедлительную передачу на пульт эксплуатирующей организации соответствующего сигнала. Тем самым предотвращается возможность длительного нахождения защищаемой коммуникации под разрушительным воздействием токов наведения от железной дороги. Важно, что указанные технические результаты достигаются очень простыми и дешевыми техническими решениями, приводящие к удорожанию не более 5% от стоимости базовой дренажной установки без телемеханики.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показана реализация изобретения. Дренажный блок (2) без элементов контроля диодов (8) по сути является обычной дренажной установкой без телемеханики и питания из вне. Предлагаемое изобретение позволяет при сопоставимых с самой дренажной установкой (2) затратах оснастить ее телемеханикой с устройством передачи информации для передачи параметров ее работы, а также незамедлительной передачи сигнала на диспетчерский пульт эксплуатирующей организации о неисправности ключевых элементов - дренажных диодов (3) посредством предлагаемого с этой целью устройства контроля (8). При этом питание системы телемеханики и связи осуществляется за счет преобразования токов наведения в нормированный ток и накопления его в специальных накопительных элементах в составе устройства питания (6). Тем самым подведение энергии и затрат на дополнительную инфраструктуру не требуется.

В состав установки входят: дренажный блок (2), через который протекает дренируемый ток наведения положительной полярности от защищаемой коммуникации на рельс или подстанцию железной дороги; узел телемеханики и связи (10) для сбора информации о параметрах работы и ее передачи на удаленный пункт управления эксплуатирующей защищаемую коммуникацию организации; введенное в изобретении в состав узла телемеханики и связи (10) устройство контроля исправности элементов дренажной установки (8) с его вынесенными чувствительными элементами, позволяющими контролировать исправность дренажных диодов (3); устройство питания узла телемеханики от токов наведения, создаваемых железными дорогами постоянного тока с номинальным тяговым напряжением 3000 (плюс - минус 15%) вольт с накопителем электрической энергии (6); предложенные в изобретении и подключенный специальным образом дополнительные элемент - диод (9).

Токи наведения поступают на вход дренажного блока (2) установки дренажной защиты по кабелю большого сечения и низким электрическим сопротивлением. Отводимые от защищаемой подземной или наземной коммуникации токи наведения поступают в дренажный блок (2) на вход параллельно включенных диодов (3), далее через них на низкоомные сопротивления большой мощности - шунты (4) и далее по дренажному кабелю большого сечения и низкого сопротивления на рельс или тяговую подстанцию (5), находящейся рядом железной дороги. Диоды (3) не дают проходить току положительной полярности от рельса (5) обратно на защищаемую коммуникацию (1) и менять в положительную область поддерживаемый системой электрохимзащиты расчетный потенциал в (минус) 1,2-5 вольт. Узел телемеханики и связи (10) предназначен для сбора параметров работы дренажного блока (2): потенциалы, токи и напряжения и передачи их на диспетчерский пульт эксплуатирующей организации. В предлагаемом изобретении в состав узла (10) впервые введено устройство контроля исправности элементов дренажной установки (8) с его вынесенными чувствительными элементами, позволяющими контролировать исправность дренажных диодов (3). Узел (8) в случае пробоя или перегорания любого из дренажных диодов (3) сигнализирует о возникшей неисправности на диспетчерский пульт эксплуатирующей организации. Тем самым минимизируется время нахождения коммуникации без защиты от токов наведения. Без узла (8) неисправность диода (3) выявляется только при осмотре и тестировании его обслуживающим персоналом, т.е. через недели и месяцы. В предложенном изобретении впервые необходимая для работы узла телемеханики и связи (10) электроэнергия нужного качества формируется низковольтным поляризованным преобразователем из токов наведения только вредной положительной полярности, которые снимаются через диод (9) со входной шины дренажного блока (2), т.е. фактически от самой дренажной установки. Вторым полюсом устройство питания подключается к заземлению дренажной установки (11). Точки подключения на фиг. 1 обозначены (7). В отличие от ранее известных решений предлагаемый в изобретении способ питания телемеханики, узла контроля и связи не допускает попадание на вход преобразователя энергии в устройстве питания (6) импульсов высокого напряжения до 3000 вольт от рельса железной дороги за счет высоковольтных мощных дренажных диодов (3). Питание осуществляется только от токов наведения стекающих от защищаемой коммуникации и только вредной для коммуникации положительной полярности. Напряжение этих токов на основании мониторинга, проведенного на разных дренажных установках вдоль транссибирской железной дороги и веток от нее, составляет всего от 2 до 24 вольт, в то время как на рельсе и выходе дренажной установки может достигать сотен и даже тысяч вольт. Благодаря установке дополнительного не высоковольтного диода средней мощности от защищаемой коммуникации не отбирается необходимый защитный потенциал отрицательной полярности, что удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 9.316-2006 и его последующим редакциям. При установке дренажных установок с телемеханикой выполненных с использованием способов предложенных в данном изобретении предварительный мониторинг величины токов наведения можно не проводить, т.к. от высоковольтных импульсов устройство преобразования и питания защищено самими дренажными диодами (3) и шунтами (4), а токи наведения низкого напряжения от 2 до 24 вольт всегда наводятся при движении электровозов. И этих токов низкого напряжения достаточно, т.к. преобразователь устройства питания приспособлен на сбор и преобразование в том числе с повышением напряжения в необходимое напряжение заряда накопителей и питания передающего информацию устройства - модема (4,5-12 вольт).

Таким образом, предложенный в изобретении способ питания телемеханики и связи путем применения простых и недорогих - до 2% стоимости дренажа технических и схемных решений позволяет исключить попадание импульсов тока в сотни и тысячи, вплоть до 3000 вольт от рельса вследствие разрыва контакта между рельсами, неисправности электровоза и других причин, исключая при этом потребление с защищаемой коммуникации защитного отрицательного потенциала, выполняя требование ГОСТ Р 9.316-2006, а также реализует непрерывный контроль исправности ключевых элементов дренажной защиты - дренажных диодов, что ограничивает время нахождения коммуникации без защиты от токов наведения только временем прибытия на дренаж обслуживающего персонала после получения сигнала о неисправности от устройства контроля исправности.

Пример конкретного выполнения

Газопровод и нефтепровод проходят параллельно на небольшом удалении от транссибирской железной дороги на постоянном токе напряжением 3000 вольт. Движение поездов вызывает токи наведения на трубопроводах продолжительностью в среднем 10 мин в час. Напряжение токов наведения от трубопровода положительной полярности от 2 до 9 вольт, током не менее 2 ампер. В среднем за час низковольтный преобразователь устройства питания (6) с учетом потерь до 10% направит в накопитель 1,65 Вт энергии. Узел телемеханики и связи (10) почти всегда находится в спящем режиме и при этом потребляет 2 мА при напряжении 5 вольт, т.е. за час расходует 0,01 Вт. В режим передачи на пульт диспетчера узел телемеханики и связи (10) переходит на 2 мин каждый час, потребляя при этом при 5 вольтах до 220 мА, т.е. 0,04 Вт/ч энергии. Блок контроля (8) работает постоянно от 5 вольт и потребляет 20 мА, т.е. 0,1 Вт/ч. Итого часовой суммарный расход энергии составляет 0,01+0,04+0,1=0,15 Вт/ч. При этом гарантированный положительный энергобаланс обеспечен в размере 1,65-0,15=1,5 Вт/ч. Энергия постоянно подпитывает накопитель в составе устройства питания (6), небольшая емкость которого даже в 50 Вт/ч (10 А/ч при 5 вольтах) позволит обеспечить работу телемеханики дренажной установки в течении 50/0,15=333 часов (13 суток) без поступления энергии от токов наведения, что с запасом соответствует всем нормативам к надежности телемеханики (72 часа при потере основного питания).

Изобретение относится к системам питания и контроля исправности телемеханики электрохимзащиты протяженных металлических коммуникаций. Технический результат - обеспечение качества и непрерывности электрохимзащиты металлических коммуникаций, исключение необходимости ремонтов и замены элементов телемеханики и связи. Для этого предложен способ, который заключается в организации автономного питания устройств телемеханики, связи и контроля исправности установки за счет сбора и преобразования токов наведения непосредственно от их приемника, т.е. коммуникации. При этом низковольтным устройством питания отбираются токи наведения только положительной - вредной для коммуникации полярности низкого напряжения. Токи наведения от приемника преобразуются в электроэнергию для питания телемеханики, связи и предложенного в изобретении способа непрерывного контроля исправности дренажной защиты. 1 ил., 1 пр.

Способ автономного питания телемеханики и связи для передачи параметров и контроля работы установок дренажной защиты путем сбора и преобразования токов наведения, снятия и передачи на удаленный диспетчерский пульт эксплуатирующей организации количественных параметров работы установки, отличающийся тем, что токи наведения снимаются с защищаемой системой электрохимзащиты металлической наземной или подземной коммуникации, или проводника, идущего от нее, при этом после снятия токи наведения только положительной полярности и низкого напряжения поступают на полюс устройства питания через дополнительный диод, а другой полюс устройства питания подключается к заземлению дренажной установки, обеспечивая тем самым через устройство питания подачу питающего напряжения для работы узла телемеханики и связи, в состав которого входит устройство непрерывного контроля исправности ключевых элементов с его вынесенными чувствительными элементами, позволяющими контролировать исправность дренажных диодов установки дренажной защиты, которые одновременно защищают устройство питания, узел телемеханики и связи от импульсов высокого напряжения вплоть до величин напряжения питания локомотивов железной дороги.