ЭЛЕКТРОЗАРЯДНАЯ СТАНЦИЯ

Полезная модель относится к устройствам зарядки батарей от сети переменного, постоянного тока через преобразователи или без преобразователей, в частности к электрозарядной станции для зарядки электромобилей, предназначенной для установки в местах возможного скопления горючих и взрывоопасных испарений, например, вблизи бензоколонок.
Наиболее часто встречающимися на сегодняшний день методами, позволяющими снизить опасность взрыва или пожара на участках с наличием взрывоопасной загазованности, либо возможной загазованности, применяемыми к электрозарядным станциям, являются «Взрывонепроницаемая оболочка» (ГОСТ 30852.1-2002 (МЭК 60079-1:1998) Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 1. Взрывозащита вида «взрывонепроницаемая оболочка», URL: http://docs.cntd.ru/document/1200103235) и «Искробезопасная электрическая цепь» (ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99) «Электрооборудование взрывозащищенное, Часть 11, Искробезопасная цепь I», URL: http://exd.ru/pdf/norm_doc/gost513301099.pdf).
Вид взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка» и виды защиты, основанные на идее изоляции, являются методами, которые ограничивают взрыв взрывоопасной смеси в пределах оболочки или изолируют электрооборудование от взрывоопасной атмосферы посредством защитного газа (воздуха или инертного газа). В обоих случаях требуется применение специальных оболочек, особой прокладки электрических проводов и размещение оборудования согласно определенным правилам, что требует значительных капитальных вложений. При этом корпус электрозарядной станции, становиться громоздким и в силу своей особенности не подъемным. Для создания наибольшей герметичности корпуса электрозарядной станции необходимо применять степень защиты оболочки по газу и пали (Ех), что влечет за собой дополнительную сертификацию изделия взрывозащищенного оборудования TP ТС 012/2011. Сохранение в корпусе инертного газа так же не предвидеться возможным, так как 2 раз в год необходимо проводить техническое обслуживание электрозарядной станции, так же влечет за собой дополнительные затраты.
Вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» основывается на поддержании искробезопасного тока (напряжения, мощности или энергии) в электрической цепи. При этом под искробезопасным током (напряжением, мощностью или энергией) имеется в виду наибольший ток (напряжение, мощность или энергия) в электрической цепи, образующий разряды, который не вызывает воспламенения взрывоопасной смеси в предписанных соответствующими стандартами условиях испытаний. В данном случае необходимо прежде всего исключить человеческий фактор, то есть, электрооборудование, содержащее цепи или участки цепей, которые являются искробезопасными, требует соответствующей защиты от возможных вмешательств или ошибок монтажа, текущего ремонта, технического обслуживания и персонала, производящего освидетельствование. Зажимы для присоединения внешних искробезопасных цепей должны закрываться крышкой, запираемой специальным инструментом, или опломбироваться. Винтовые (болтовые) зажимы должны быть предохранены от самоотвинчивания, а кабели и провода - от рассоединения. Очевидно, что абсолютная защита невозможна, но для минимизации ошибок обслуживающего персонала необходимо иметь соответствующую документацию, которая включает в себя описания по установке и текущему ремонту оборудования, а также методики проведения контрольных проверок. Электрооборудование должно снабжаться достаточным количеством поясняющих надписей и указаний, упрощающих эксплуатацию такого оборудования. На отдельно устанавливаемом электрооборудовании должна быть табличка с его блок-схемой, на которой обозначены присоединительные зажимы. Выбор высоконадежных и экономичных технических средств сбора информации, работающих во взрывоопасных средах, является первоочередной задачей при проектировании систем автоматического управления. Применение во взрывоопасных зонах оборудования общепромышленного исполнения с искробезопасными цепями является одним из путей снижения капитальных затрат, повышения надежности и безопасности эксплуатации, при этом себестоимость изделия увеличивается в несколько раз. Процесс сборки изделия становиться трудоемким.
Известно электрозарядное устройство (Электрозарядное устройство и метод управления: заявка на изобретение № US 2014180922, Соединенные Штаты Америки, заявл. 20.12.2013, опубл. 26.06.2014). Согласно данному техническому решению предусмотрено главное зарядное устройство, которое управляет множеством подчиненных зарядных устройств, принимает платежную информацию, передает сообщение о подтверждении получения платежа на платежный сервер через внешнюю сеть связи и получает платеж-утверждение через внешнюю сеть связи с платежным сервером. При получении одобрения платежа основное зарядное устройство передает инструкцию для зарядки электромобиля в подчиненное зарядное устройство через внутреннюю сеть связи. При этом, главное зарядное устройство оборудовано RFID-ридером, терминалом для приема наличных, терминалом для банковских карт или другими устройствами для обеспечения возможности оплаты.
Также известна зарядная станция для электротранспорта (Зарядная станция для электротранспорта: патент на полезную модель №130459, Российская Федерация, заявка № RU 2012153817, заявл. 13.12.2012, опубл. 20.07.2013). В корпусе зарядной станции расположены связанные между собой исполнительный модуль (устройство управления процессом заряда), соединенный с розеткой для подключения зарядного кабеля электротранспорта (зарядный разъем), смонтированной на внешней поверхности корпуса, управляющий модуль (программируемый логический контроллер), средство для определения факта подключения зарядного кабеля, приемо-передающий модуль (модуль связи), устройство защитного отключения подачи электричества, датчики перемещения и наклона корпуса станции, светодиодный модуль внешней индикации состояния станции, автоматические выключатели для защиты от перегрузок и коротких замыканий, счетчик электроэнергии, предназначенный для измерения показателей электроэнергии, источник автономного питания.
Недостатком вышеприведенных устройств является относительно низкая эффективность предупреждения аварийных ситуаций, связанных со скоплением горючих и взрывоопасных испарений в частности паров бензина, в корпусах электрозарядных станций, в которых установлено искроопасное электротехническое оборудование. Это обусловлено отсутствием специальных устройств для обнаружения горючих и взрывоопасных испарений, что препятствует установке подобных устройств в местах возможного скопления горючих и взрывоопасных испарений, например, вблизи бензоколонок на автомобильных заправочных станциях, автомобильных газозаправочных станциях.
Известна электрозарядная станция (Электрозарядная станция: патент на полезную модель №188167, Российская Федерация, заявка № RU 2018122149, заявл. 14.06.2018, опубл. 02.04.2019), которая включает корпус, а также установленные внутри него программируемый логический контроллер, а также устройство управления процессом заряда электромобиля, устройство защитного отключения с приводом дистанционного автовзвода, датчик угла наклона, модуль связи, внутренний датчик температуры воздуха, датчик относительной влажности воздуха, датчик горючих газов, герконовый датчик, реле напряжения, трансформатор тока и напряжения, модуль измерения параметров электрической сети, реле контроля сопротивления изоляции цепей переменного тока, реле контроля электрических величин и устройство защиты от импульсных перенапряжений и помех, соединенные с контроллером, при этом снаружи корпуса расположен зарядный разъем, бесконтактный терминал оплаты, модуль внешней индикации и внешний датчик температуры воздуха, соединенные с контроллером.
Недостатком прототипа является относительно низкая эффективность предупреждения аварийных ситуаций, связанных со скоплением горючих и взрывоопасных испарений в частности паров бензина, в корпусах электрозарядных станций, в которых установлено искроопасное электротехническое оборудование. Это обусловлено использованием одного датчика горючих газов, расположенного внутри корпуса, без учета размещения данного датчика внутри станции в зоне с вероятно большим скоплением горючих и взрывоопасных испарений, например, вблизи бензоколонок на автомобильных заправочных станциях, автомобильных газозаправочных станциях.
Технической проблемой является необходимость разработки безопасной электрозарядной станции, лишенной вышеприведенных недостатков и пригодной для установки в местах возможного скопления горючих и взрывоопасных испарений вблизи бензоколонок на автомобильных заправочных станциях, автомобильных газозаправочных станциях.
Техническим результатом является повышение эффективности предупреждения аварийных ситуаций, связанных со скоплением горючих и взрывоопасных испарений.
Технический результат достигается тем, что электрозарядная станция, включающая корпус, а также установленные внутри него программируемый логический контроллер, а также устройство управления процессом заряда электромобиля, устройство защитного отключения, автоматический выключатель, датчик угла наклона, датчик горючих газов и модуль связи, соединенные с контроллером, при этом снаружи корпуса расположен зарядный разъем и модуль внешней индикации, соединенные с устройством управления процессом заряда электромобиля, согласно полезной модели снабжена двумя датчиками горючих газов, один из которых расположен в верхней части корпуса и предназначен для определения метана, а другой расположен в нижней части корпуса и предназначен для определения пентана и пропана, при этом оба датчика откалиброваны по нижнему концентрационному пределу распространения пламени.
Вышеописанное расположение датчиков значительно повышает эффективность предупреждения аварийных ситуаций, связанных со скоплением горючих и взрывоопасных испарений. Это объясняется тем, что датчик горючих газов устанавливается в верхней части корпуса для обнаружения скопления горючих, взрывоопасных испарений и газов в частности метана, и в нижней части корпуса для обнаружения скопления горючих и взрывоопасных испарений в частности пентана и пропана, при установке электрозарядной станции вблизи автомобильных заправочных и автомобильных газозаправочных станций. Такое расположение объясняется тем, что метан легче воздуха и при утечке он смешивается с воздухом и поднимается наверх, а пентан и пропан, в свою очередь, тяжелее воздуха, что объясняет необходимость установки соответствующих датчиков внизу.
Оба датчика откалиброваны по нижнему концентрационному пределу распространения пламени, что соответствует минимальной концентрации горючего вещества (газа, паров горючей жидкости) в однородной смеси с окислителем (воздух, кислород и других примесей), при которой смесь неспособна к распространению пламени, но при превышении нижнего концентрационного предела возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания, например от искрового разряда. В случае обнаружения с помощью датчиков горючих газов минимального скопления взрывоопасных испарений, электрозарядная станция автоматически переводиться в режим «Авария», блокируется доступ подключения электромобиля к электрозарядной станции и станция сигнализирует о скоплении взрывоопасного испарения оператору удаленной системы управления, для экстренного устранения аварии.
Заявленное устройство представлено на Фиг. 1 - блок-схема устройства, Фиг. 2 - электрозарядная станция, общий вид, Фиг. 3 - схематическое изображение электрозарядной станции в разрезе с указанием расположения датчиков горючего газа и датчика угла наклона в корпусе.
Электрозарядная станция включает металлический корпус 1 с дверцей. Внутри корпуса 1 расположен программируемый логический контроллер 2. Устройство управления процессом заряда электромобиля 3, устройство защитного отключения 4, автоматический выключатель 5, датчик угла наклона 6, зарядный разъем 7, модуль внешней индикации 8, модуль связи 9. датчики горючих газов 10, контактор 11. Устройство управления процессом заряда электромобиля 3 расположено внутри корпуса 1, соединено с программируемым логическим контроллером 2 и представляет собой модуль с необходимым и достаточным набором функций и операций, для обеспечения подключения электромобиля к электрозарядной станции. Устройство защитного отключения 4 и автоматический выключатель 5 расположены внутри корпуса 1 электрозарядной станции и соединены с программируемым логическим контроллером 2. Датчик угла наклона 6 расположен внутри корпуса 1 электрозарядной станции и соединен с программируемым логическим контроллером 2. Зарядный разъем 7 расположен с наружной стороны корпуса 1 и соединен с устройством управления процессом заряда электромобиля 3, а так же с силовой электрической частью сети через контактор 11. Модуль внешней индикации 8 расположен снаружи корпуса 1 над каждым зарядным разъемом 7, если их в электрозарядной станции больше чем один, соединен с устройством управления процессом заряда электромобиля 3, которое соединено с программируемым логическим контроллером 2. Модуль внешней индикации 8 представляет собой отображающее устройство, например, светодиодный индикатор. Модуль связи 9 расположен внутри корпуса 1, соединен с программируемым логическим контроллером 2 и выполнен в виде GSM модема с выносной антенной. Датчики горючих газов 10 расположены внутри корпуса 1. При этом, датчики 10 настроены по нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Один из датчиков 10 предназначен для определения метана и расположен в верхней части корпуса 1 (например, закреплен под верхней гранью корпуса 1), а второй предназначен для определения пропана и пентана, а расположен в нижней грани у основания корпуса 1). Каждый датчик горючих газов также соединен с программируемым логическим контроллером 2. Контактор 11 расположен внутри корпуса 1 и предназначен для коммутации силовых электрических цепей под нагрузкой.
Заявленное устройство работает следующим образом. После установки и ручного введения электрозарядной станции в эксплуатацию, на удаленный сервер организовывается постоянная передача данных с программируемого логического контроллера 2 электрозарядной станции через модуль связи 9. Ведется постоянный мониторинг параметров состояния электрозарядной станции, отправляются результаты измерений на центральный сервер, а на модуле внешней индикации 8 отображается состояние электрозарядной станции, режим ожидания, если подключенных пользователей нет (цвет индикации зеленый), в режиме готовности, если пользователь подключен, но не прошел идентификацию (цвет индикации оранжевый), либо в режиме зарядки, в том случае, если пользователь прошел идентификацию и заряжает электромобиль (цвет индикации синий), режим аварии, если сработал хотя бы датчик горючих газов 10 (цвет индикации красный). Все состояния так же дублируются оператору удаленной системы управления на удаленный сервер через модуль связи 9. Каждый датчик горючих газов 10 фиксирует значения превышения концентрации взрывоопасных испарений внутри корпуса 1 электрозарядной станции. Программируемый логический контроллер 2, наблюдает за состоянием датчиков горючих газов 10 ив случае превышения концентрации, программируемый логический контроллер 2 переводит электрозарядную станцию в аварийный режим, блокирует подачу тока на зарядный разъем 7 с помощью устройства управления процессом заряда электромобиля 3, так же светодиодная индикация 8 меняет свой цвет на красный. Аварийное состояние по каждому датчику горючих газов 10 передается на удаленный сервер оператору, где оператор принимает решения для обеспечения быстрого реагирования по устранению горючего газа из корпуса электрозарядной станции.
Заявленная электрозарядная станция поясняется примером.
Проводились стендовые испытания двух образцов электрозарядных станций для сравнительного исследования надежности, безопасности и эффективности при превышении концентрации горючих и взрывоопасных испарений.
Образец 1 представляет собой техническое решение по прототипу, а именно электрозарядную станцию соединенную с центральным сервером беспроводной связью, при этом внутри корпуса электрозарядной станции установлен программируемый логический контроллер (OWEN ПЛК100, Россия), а также устройство управления процессом заряда электромобиля, устройство защитного отключения (Schneider-Electric, EZ9R34440 EASY9 SE, Франция), автоматический выключатель (Schneider-Electric, Easy9 ЗР 32А, Франция), датчик перемещения и угла наклона (Группа компаний «Грант», ДУН-02.01, Россия) и модуль связи (GSM-модем), соединенные с контроллером, при этом снаружи корпуса электрозарядной станции расположен зарядный разъем (Туре 2 «Mennekes») и модуль внешней индикации (LED-индикация), соединенные с контроллером, так же по мимо всего остального в электрозарядной станции имеется контактор двухпозиционный, предназначенный для частых включений и выключений силовых электрических цепей в нормальном режиме работы (Schneider-Electric, Tesys Е LC1E3210M5 SE, Франция). Также в образце был использован один датчик горючих газов (TGS816), расположенный посередине корпуса.
Образец 2 представляет собой заявленную электрозарядную станцию, в основу которой были положены следующие конструктивные особенности. Образец 2 содержит датчик горючих газов (Petrol Vapours) (MSR Electronic GmbH, XT-A1-3496, Германия), установленный в нижней части внутренней поверхности корпуса электрозарядной станции. И датчик горючих газов (ДЗ-1-СН4 (сигнализатор) метана), установленный в верхней части внутренней поверхности корпуса электрозарядной станции. Остальные конструктивные элементы Образца 2 были аналогичны по функционалу конструктивным элементам Образца 1, но не идентичны.
Образец 3 был идентичен Образцу 1 за исключением того, что был использован датчик горючих газов (Combustible Gas Sensors) Spider CCGS.
Образец 4 был идентичен Образцу 1 за исключением того, что были использованы иные датчики горючих газов по метану (MQ-5) и по пропану (МА-2-3480).
Схема проведения испытаний: моделировалось расположение каждого из Образцов в зоне повышенной пожароопасной загазованности в результате утечки горючих и взрывоопасных испарений путем розлива нефтепродуктов в частности бензина. Для чего оба испытываемых Образца в рабочем режиме, но не под нагрузкой (без подключения к ним электромобилей), поместили в герметично закрытые камеры наполняемые горючим газообразным веществом в течении одного часа, камеры объединены между собой, наполняются газом равномерно. Заранее оснастив Образец 1 аналогичными датчиками концентрации паров бензина и метана с выносным прибором для фиксации измерений, при этом датчик концентрации паров бензина Образца 1 разместили аналогично Образцу 2, при этом датчики зафиксировали концентрацию горючих и взрывоопасных испарений, соответственно контроллер Образца 2 в автоматическом режиме на основании показания датчика перевел станцию в аварийный режим работы, тем самым ограничив доступ подключения к силовым частям, и посредством модуля связи отправил сообщение на удаленный центральный сервер оператору о чрезвычайной ситуации сигнализируя цветовым и звуковым сопровождением. Далее горючие и взрывоопасные испарения из обеих камер были удалены естественным побуждением (аэрацией) без применения искусственной (механической) вентиляции, и в течение последующего часа оба Образца фиксировали концентрацию горючих и взрывоопасных испарений внутри герметичных корпусов, в последствии концентрация горючих веществ начала снижаться. Соответственно Образец 1, не имея данной системы, не смог зафиксировать взрывоопасную аварийную ситуацию и передать оповещение оператору на удаленный сервер.
Так же в течение всего эксперимента программируемый логический контроллер собирал и через модуль связи отправлял на удаленный сервер статистические данные о состояниях датчиков горючих газов в режиме реального времени.
Результатом испытаний являлось выявление срабатывания системы автоматического управления и мониторинга при возникновении внештатных ситуаций, например, скопления горючих и взрывоопасных испарений и их концентрация внутри корпуса, которое может привести к пожароопасным ситуациям в результате коммутации силовых электрических цепей под нагрузкой (в режиме заряда) контактором, вследствие чего, может возникнуть искровой разряд (пробой) или микро дуга, что приведет к распространению пламени по горючим и взрывоопасным испарениям.