УСТРОЙСТВО РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ

Полезная модель относится к области железнодорожной автоматики, телемеханики и связи (ЖАТС) и может быть использована в устройствах электропитания электрической централизации (ЭЦ), в частности, в качестве резервного источника электропитания, обеспечивающего бесперебойное питание ЖАТС для обеспечения безостановочного и безопасного движения поездов.
Известен резервный источник электроснабжения, основанный на применении дизель-генераторного агрегата с автоматическим запуском (ДГА), источником энергии в котором является дизельное топливо (см. Академия энергетики №6 2008 г., Михайлин А.Б. «Современные системы бесперебойного питания»).
Недостатками этого резервного источника являются:
- электромеханический принцип действия, имеющий ограниченный ресурс работы и большие расходы на техническое обслуживание и ремонт;
- длительное время запуска (до 30 с), ведущее к нарушению действия аппаратуры ЖАТС и прерыванию движения поездов.
Известен источник резервного электропитания, использующий устройство бесперебойного питания (УБП) с накоплением электроэнергии аккумуляторной батареей (см. ООО «Издательский дом «Транспортная книга», учебник «Электропитание устройств автоматики и телемеханики, Коган Д.А., Москва, 2008 г., стр.39).
Недостатками этого устройства являются:
- большое количество и большая емкость аккумуляторов;
- ограниченный срок службы аккумуляторов и большие эксплуатационные расходы на замену их после износа.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, является устройство: «Система топливных элементов», включающее в себя сами топливные элементы, контроллер, аккумуляторную батарею, зарядное устройство батареи, инвертор и цепь подключения нагрузки. Устройство адаптировано к безразрывной подаче питания на нагрузку переменного тока, несмотря на то, что реакция топливных элементов значительно отстает от скорости подключения нагрузки. (US 2002021109, HO2J 7/34, 21.02.02)
Недостатками указанного технического решения являются:
- непрерывный расход водородного топлива системы при использовании ее в качестве резервного источника электроэнергии с автономным запасом водородного топлива;
- недостаточная надежность;
- отсутствие автоматического включения резерва (АВР);
- отсутствие пробного пуска и остановки устройства с помощью кнопок;
- отсутствие возможности экстренного отключения при пожарной опасности.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности электроснабжения объектов железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, исключение задержек в движении поездов и сокращение эксплуатационных расходов.
Технический результат предлагаемой полезной модели достигается тем, что в устройство, содержащее водородные топливные элементы с аккумуляторными батареями на выходе, зарядное устройство батарей, инвертор и цепи подключения аккумуляторных батарей к входу инвертора и выходу зарядного устройства батарей, а выхода инвертора - к нагрузке, согласно предложению введены блок экстренного отключения выходных цепей переменного тока при пожарной опасности, реле включения устройства, пневматический автоматический переключатель и автономные модули баллонов с водородом, каждый из которых через соответствующий трубопровод соединен с пневматическим автоматическим переключателем, который общим выходным трубопроводом соединен с водородными топливными элементами, количество которых определяется мощностью нагрузки и избыточностью на резервный элемент, аккумуляторные батареи водородных топливных элементов через соответствующие автоматические выключатели соединены с шинами постоянного тока, которые через автоматические выключатели соединены с входом инвертора и выходом зарядного устройства батарей, водородные топливные элементы содержат датчики исправности, а пневматический автоматический переключатель - датчик переключения расхода автономных модулей баллонов с водородом, выходы датчиков соединены с установленными на табло индикаторами неисправности топливных элементов и окончания топлива в автономном модуле баллонов с водородом, в пульт управления объектом вмонтированы кнопки пуска и остановки, электрически соединенные через реле включения устройства с пусковой цепью инвертора, зарядное устройство батарей соединено входом через контакты контактора с основным источником переменного тока объекта, нормально разомкнутые контакты реле включения устройства включены в цепь контактора нагрузки, а нормально замкнутые - в цепь контактора включения зарядного устройства, вспомогательный контакт которого включен в пусковую цепь инвертора, выходное напряжение которого непосредственно передается во внешние цепи для контроля его работы на объекте.
Блок экстренного отключения выходных цепей переменного тока при пожарной опасности, выполнен в виде реле, находящегося на самоблокировке через контакты датчика пожарной сигнализации и кнопки экстренного отключения, располагаемой на пульте управления дежурного по объекту, нормально замкнутые контакты реле находятся в цепях контакторов инвертора и зарядного устройства батарей, а также в пусковой цепи инвертора, а нормально разомкнутый контакт - в цепи независимого расцепителя автоматического выключателя силового питания внутренних нагрузок установки (освещение, обогрев, вентиляция и кондиционирование), а параллельно контакту самоблокировки реле включена кнопка восстановления работы устройства.
Конструктивно устройство выполнено в виде контейнера и состоит из трех отсеков:
- в первом отсеке, имеющем решетчатые наружные стены и потолок с отрицательным углом наклона наружу для исключения накопления водорода внутри контейнера, расположены модули баллонов с водородом и трубопроводы подачи водорода через пневматический автоматический переключатель в водородные топливные элементы, кроме того модули баллонов через пневматические клапаны, управляемые датчиками опасной концентрации водорода из-за утечки, соединены трубопроводами с вентиляционным выходом в виде вытяжного дефлектора, выступающего на несколько метров над крышей контейнера;
- во втором отсеке, имеющем решетчатые наружные стены и потолок с отрицательным углом наклона наружу для исключения накопления водорода внутри контейнера, расположены как минимум три водородных топливных элемента с контроллерами и выходными аккумуляторными батареями и с системой внутреннего автоматического электроподогрева;
- в третьем отсеке закрытого типа с утепленными негорючими стенами, с системой электрообогрева, вентиляции и кондиционирования расположены инвертор, зарядное устройство батарей, цепь подключения нагрузки и цепи управления устройством и сопряжения с аппаратурой электропитания объекта железнодорожной автоматики, телемеханики и связи (ЖАТС).
Внешними цепями для данного устройства являются:
- нагрузка - аппаратура электропитания объекта ЖАТС;
- цепь основного источника переменного тока аппаратуры электропитания объекта ЖАТС;
- реле фиксации выключения основных источников электроснабжения объекта ЖАТС для включения устройства;
- кнопки пуска и остановки устройства в режиме холостого хода, расположенные на пульте управления дежурного по объекту;
- пломбируемая кнопка на пульте управления для экстренного отключения устройства и прекращения подачи напряжения в нагрузки при пожарной опасности.
На фиг.1 представлена схема устройства резервного электропитания объектов железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, содержащая:
- два модуля 1, 2 баллонов с водородом «Н», соединенных самостоятельными трубопроводами через вентили 1.1, 2.1 с пневматическим автоматическим переключателем 3, имеющим вентили 3.1 и 3.2, поочередно открываемые по мере расхода водорода в одном модуле баллонов с водородом, и датчик 3.3 контрольного сигнала окончания топлива 4,
- водородные топливные элементы 5-7 с аккумуляторными батареями на выходе и с контактами 5.1-7.1 контроля исправности, соединенными последовательно и передающими во внешние устройства сигнал неисправности 8,
- автоматические выключатели 9-11 аккумуляторных выходов водородных топливных элементов 5-7, подключенных к шинам 12 постоянного тока «+» - «-», к которым через автоматический выключатель 13 подключен инвертор 14 и через автоматический выключатель 15 - выход зарядного устройства батарей 16, вход которого подключен к цепи 17 основного источника электропитания объекта ЖАТС, через контакт 18.1 контактора 18 проверяющего наличие сетевого напряжения контактом 19.1 реле 19 включения устройства (катушка реле 19 на фиг.1 не показана) и отсутствие сигнала экстренного отключения контактом 20.2 реле 20 экстренного отключения выходных цепей переменного тока при пожарной опасности, которое находится на самоблокировке через собственный контакт 20.1 и контакты 21.1 датчика пожарной сигнализации (датчик на фиг.1 не показан) и 21.2 пломбируемой кнопки экстренного отключения, располагаемой на пульте управления дежурного по объекту ЖАТС,
- контактор 22 включения нагрузки ЖАТС 23 через его контакт 22.1 на выход инвертора 14, в цепи катушки контактора 22 имеются контакты 20.3 на размыкание и 19.2 на замыкание,
- независимый расцепитель 24.1 автоматического выключателя 24 нагрузки собственных нужд 25, в цепи включения катушки 24.1 которого имеется контакт 20,4 на замыкание,
- цепь управления 26 («Вкл./Выкл.») инвертором 14, в которой включены контакты 20.5 на размыкание и параллельно включенные контакты на замыкание - 18.2 контактора 18 и - 28.2 реле 28 включения устройства в режиме холостого хода, выходное напряжение 30, с которого передается для контроля во внешние цепи, реле 28 включается контактом 29 кнопки «Пуск» и самоблокируется через контакты 28.1 и 32.1 реле 32 остановки, включаемого контактом 31 кнопки «Остановка»,
- кнопку 27 восстановления работы устройства после устранения результатов пожара.
Устройство работает следующим образом:
Для включения устройства в работу после подключения внешних источников питания «=» и «~» нажимают кнопку 27 восстановления работы устройства, в результате чего срабатывает и самоблокируется реле 20 экстренного отключения выходных цепей переменного тока при пожарной опасности, а также включают все автоматические выключатели: 9-11, 13, 15, 24. В результате замыкания контакта 20.2 срабатывает контактор 18 и через контакт 18.1 от цепи 17 подается напряжение на зарядное устройство батарей 16. Благодаря этому осуществляется подзаряд аккумуляторных батарей и в режиме покоя водородные топливные элементы 5-7 не расходуют водород.
Включение инвертора 14 осуществляется замыканием цепи 26 контактом 28.2 реле 28 или контактом 18.2 контактора 18 выключения зарядного устройства батарей 16, а выключение - размыканием этой цепи перечисленными контактами или контактом 20.5 реле 20 экстренного отключения выходных цепей переменного тока при пожарной опасности. В режиме пробного запуска используется реле 28, срабатывающее от кнопки 29 «Пуск» и самоблокирующееся через контакт 28.1. Инвертор 14 включается в работу в режиме холостого хода и по цепи 30 передает выходное напряжение для контроля его работы во внешних устройствах. При нажатии кнопки 31 «Остановка» срабатывает реле 32, контактом 32.1 размыкается цепь самоблокировки реле 28, в результате чего оно отпадает. В результате этого размыкается цепь 26 и инвертор 14 выключается.
Автоматическое включение резервного источника электропитания и запуск инвертора 14 осуществляет реле 19 включения устройства, расположенного в устройствах электропитания объекта ЖАТС и срабатывающего при отключении основных источников объекта следующим образом. От контакта 19.1 обесточивается контактор 18 и контактом 18.2 включает управляющую цепь 26 инвертора 14. Контактом 19.2 включается контактор 22, который контактом 22.1 включает выходное напряжение инвертора 14 на нагрузку ЖАТС 23. По мере разряда аккумуляторных батарей водородные топливные элементы 5-7, настроенные на включение при определенном понижении напряжения батареи, включаются в работу, обеспечивая питание инвертора от автономных модулей 1 или 2 баллонов с водородом. По мере расхода водорода в модуле 1 пневматический переключатель 3 перекрывает вентиль 3.2 от трубопровода модуля 1 и открывает вентиль 3.1 от трубопровода модуля 2. Одновременно контактом 3.3 по цепи 4 посылается сигнал окончания водорода в модуле.
Отключение инвертора 14 происходит после устойчивого восстановления основного источника 17 электропитания объекта ЖАТС и обесточивания реле 19. После переключения контактов 19.1 и 19.2 устройство приходит в исходное состояние.
При неисправности любого из водородных топливных элементов 5-7 контактами 5.1-7.1 размыкается цепь 8, посылая во внешние цепи сигнал контроля неисправности.
Каждый модуль 1, 2 баллонов с водородом на выходе имеет соответственно вентили 1.1 и 2.1, позволяющие отключать каждый от трубопровода для замены после израсходования водорода. Благодаря этому, восстановление запаса топлива может осуществляться без прерывания работы устройства.
При фиксировании пожарной опасности и размыкании контакта 21.1 или нажатии кнопки 21.2 экстренного отключения выходных цепей переменного тока якорь реле 20 отпадает и контактами 20.2-20.5 размыкает все приборы, осуществляющие электропитание нагрузок: контактом 20.2 - размыкание контактора 18 и выключение зарядного устройства, контактом 20.4 - срабатывание независимого расцепителя 24.1 автоматического выключателя 24 и прерывание питания нагрузок собственных нужд устройства, а контактом 20.5 - выключение инвертора.
Восстановление работы устройства осуществляется нажатием кнопки 27, в результате чего срабатывает и самоблокируется реле 20.