ЭЛЕКТРИЗУЕМОЕ ОХРАННО-ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRIFIED SECURITY AND PROTECTION DEVICE

Изобретение относится к системам охраны, предотвращающим несанкционированное проникновение на охраняемый объект, основанным на применении электрической энергии. Устройство предназначается для защиты зданий и территорий от несанкционированного доступа.
Для защиты от вторжения в охраняемую зону широко известны двухполюсные электризуемые заграждения, которые включают в свой состав изгороди (оголенные провода, изолированные от опор), питаемые от генераторов высоковольтных импульсов (Заявка Франции №2654239). Недостатком таких заграждений является возможность поражения электрическим током, т.к. при контакте злоумышленника с заграждением, находящимся под напряжением, он оказывается «подключенным» между электризуемым элементом и землей. Кроме того, недостатком таких заграждений, особенно при большой их протяженности, является необходимость решения таких электротехнических задач, как минимизация зазоров между элементами заграждения и землей, обеспечение минимума утечек тока с заграждения на землю, оптимизация мощности и жесткости внешней характеристики генератора высоковольтных импульсов в соответствии с реальной необходимостью воздействия непосредственно на злоумышленника, недопустимость использования в городских условиях из-за возможности случайных касаний заграждений лицами, не имеющими злых умыслов, что вынуждает создавать зоны отчуждения и применять дополнительные меры защиты.
Известно охранное устройство, реализующее способ предотвращения несанкционированного проникновения на охраняемый объект, заключающийся в электрическом воздействии на организм высоковольтным электрическим током перезаряда его емкости по однопроводной схеме, что обеспечивает эффективное воздействие даже на изолированного от земли нарушителя. Достигается описанный эффект за счет применения в цепи питания заграждения повышающих трансформаторов с так называемой круто падающей вольтамперной характеристикой, а функцию задающего формирователя воздействующего импульса выполняет специальный узел блока питания (RU №2084959).
Наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков к предлагаемому решению является реализующее этот способ защитное электрошоковое устройство (RU №105496 U1). Устройство содержит электризуемые токопроводящие элементы, подсоединенные к источнику электропитания через блоки импульсного высоковольтного питания с заданными временными интервалами и генератор импульсов, включающий силовой конденсатор, управляющий ключ и клеммы питания. При контакте злоумышленника с электризуемыми элементами заграждения (проводами, находящимися под напряжением) происходит искровой разряд, аналогичный воздействию электрошоковых устройств индивидуальной защиты, что побуждает нарушителя отказаться от попытки проникновения. Эффект электрического воздействия определяется амплитудно-временными и энергетическими характеристиками высоковольтных импульсов, изоляционными свойствами одежды и обуви злоумышленника и качеством (электропроводимостью) земли. Болевой эффект обеспечивается быстрым перезарядом емкости тела злоумышленника высоковольтными импульсами за счет токов смещения, т.е. даже в том случае, когда не осуществляется непосредственный контакт с электризованным проводником и заземленным элементом системы защиты. Для обеспечения заданного режима в электрической схеме питающего модуля применены соответствующие энергонакапливающие и времязадающие электротехнические элементы, а первичным источником питания служит промышленная сеть. Один генератор импульсов электрического воздействия может запитать около двухсот погонных метров электризуемого заграждения. Если длина периметра защищаемого объекта больше дистанции, защищаемой одним генератором, защищаемый периметр разбивается на участки длиной примерно по 200 м, каждый из которых записывается от индивидуального генератора электрических импульсов. Параллельно заграждению прокладывается питающая сеть с обеспечением электрической энергией промышленного формата (220 В, 50 Гц). Генераторы электрических импульсов подключаются к питающей сети параллельно друг другу.
Недостатком известного устройства является нарастание тока в питающей ветви с энергообеспечением (220 В, 50 Гц) при увеличении протяженности защищаемого периметра. При этом участок ветви, примыкающий к питающей промышленной сети, нагружается максимальным током, т.к. по нему протекает суммарный ток всех генераторов электрических импульсов охранно-защитного заграждения. Диаметр провода питающей ветви (220 В, 50 Гц) выбирается по току в максимально нагруженном участке, что увеличивает капитальные затраты при производстве охранно-защитных мероприятий.
Другим недостатком известного устройства является возникновение серьезных осложнений в питающей ветви (220 В, 50 Гц) при коротких замыканиях. Короткое замыкание в любой точке питающей ветви вдоль охраняемого периметра приводит к прекращению питания всего периметра из-за срабатывания токовой защиты или из-за аварийного выхода из строя участка ветви, на котором имело место короткое замыкание. Ремонтно-восстановительные работы в этих случаях сопряжены с большим объемом предварительных диагностических работ по обнаружению места нарушения (повреждения) целостности питающей ветви (220 В, 50 Гц), что, в конечном счете, резко снижает надежность защиты и увеличивает эксплуатационные расходы по поддержанию в работоспособном состоянии охранного сооружения. Часто для увеличения надежности применяют многократное дублирование питания.
Технический результат от использования изобретения модели состоит в решении задачи создания охранно-защитного устройства, обеспечивающего питание всего охраняемого периметра током одной величины; исключения влияния короткого замыкания на отдельных участках питающей линии на работоспособность охранно-защитного заграждения по всему охраняемому периметру, способствующего повышению "живучести" охранно-защитного заграждения, обеспечения малозатратной, с повышенным эффектом маскировки, прокладки линии передачи над или под поверхностью грунта без опасности электрического пробоя над землю, особенно в районах с повышенной проводимостью грунта; создания возможности параллельной передачи электрической энергии для питания обслуживающего оборудования по периметру охраны.
Заявленный технический результат достигается тем, что электризуемое охранно-защитное устройство, содержащее электризуемые токопроводящие элементы, подключенные к источнику электропитания через блоки импульсного высоковольтного питания, снабжено преобразователем электрической энергии, модулями локального отбора электрической энергии, передающим и принимающим трансформаторами, выводы которых соединены между собой однопроводной линией передачи электрической энергии, электризуемые токопроводящие элементы выполнены в виде секций, установленных на опорах, модули локального отбора последовательно включены в разрывы однопроводной линии передачи электрической энергии, выходы модулей подключены к входам блоков импульсного высоковольтного питания, выходы которых соединены с электризуемыми токопроводящими элементами, вход преобразователя электрической энергии подключен к источнику электропитания, выход соединен с низковольтной обмоткой передающего трансформатора. При этом в качестве передающего и принимающего трансформаторов используются четвертьволновые трансформаторы. В качестве передающего и принимающего трансформаторов используются также резонансные трансформаторы.
Кроме того, однопроводной линией передачи электрической энергии соединены высокопотенциальные выводы четвертьволновых трансформаторов, при этом однопроводная линия подвешена на опорах, а низкопотенциальные выводы передающего и принимающего трансформаторов заземлены. Однопроводной линией передачи электрической энергии соединены низкопотенциальные выводы передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов, при этом их высокопотенциальные выводы остаются свободными, а однопроводная линия передачи электрической энергии размещена над или под поверхностью грунта. Кроме этого возможно исполнение электризуемого охранно-защитного устройства, в котором выход преобразователя электрической энергии подключен к низковольтной обмотке передающего трансформатора через электрический конденсатор, а также когда у электризуемого охранно-защитного устройства принимающий трансформатор оснащен низковольтной обмоткой для питания электрических потребителей.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлена схема электризуемого охранно-защитного устройства с размещением однопроводной линии передачи на опорах при использовании четвертьволновых трансформаторов.
На фиг. 2 представлена схема электризуемого охранно-защитного устройства с размещением однопроводной линиии передачи электрической энергии в грунте при использовании четвертьволновых трансформаторов.
На фиг. 3 представлена схема электризуемого охранно-защитного с размещением однопроводной линии передачи на опорах при использовании резонансных трансформаторов.
На фиг. 4 представлена схема электризуемого охранно-защитного устройства с размещением однопроводной линии передачи электрической энергии под или над поверхностью грунта при использовании резонансных трансформаторов.
Электризуемое охранно-защитное устройство содержит подключенный к промышленному источнику электрической энергии 1 входными клеммами преобразователь 2 электрической энергии промышленной частоты 50 Гц в электрическую энергию переменного тока с частотой в диапазоне (0,5-20) кГц. К выходу преобразователя 2 через электрический конденсатор 3 подключена обмотка возбуждения 4 передающего трансформатора 5. Обмотка возбуждения 4 в трансформаторе 5 является низковольтной и первичной. Вторичная обмотка 6 является повышающей и выполнена в виде спирального четвертьволнового отрезка длинной линии (четвертьволновой вибратор). Вывод 7 обмотки 6 заземлен, вывод 8 является высокопотенциальным. Однопроводная линия передачи электрической энергии 9 соединяет высокопотенциальные выводы 8 и 11 передающего 5 и принимающего 13 трансформаторов.
Высоковольтная обмотка 12 принимающего трансформатора 13 имеет высоковольтный вывод 11 и низкопотенциальный заземленный вывод 14.
В разрывы однопроводной линии 9 между высокопотенциальными выводами 8 и 11 трансформаторов 5 и 13 включены последовательно соединенные между собой первичные обмотки 15 адаптеров локального отбора электрической энергии для питания модулей генерации электрических импульсов. На изоляторах 16 крепятся электризуемые элементы 17 охранно-защитного устройства к опорным колоннам 18. Модули генерации импульсов размещаются внутри опорных колонн 18 и питают электризуемые элементы 17 охранно-защитного заграждения.
Принимающий трансформатор 13 может быть снабжен низковольтной обмоткой 19 отбора энергии для сервисных потребностей охранно-защитного заграждения.
ов
01
ов
01
Г
ов
При использовании в качестве передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов собственная резонансная частота контура, содержащего электрическую емкость 3 и обмотку возбуждения 4, равна f. Собственная резонансная частота четвертьволновой обмотки 6 составляет f. Настройка четвертьволнового трансформатора 5 сводится к совмещению резонансных частот f и f. Резонансная частота f выходного тока преобразователя 2, а также резонансная частота f электрического последовательного контура, включающего конденсатор 3 и обмотку 4, равны между собой и равны резонансной частоте четвертьволновой вторичной обмотки 6.
Конец линии передачи 9 соединен с высокопотенциальным выводом 11 четвертьволновой обмотки 12 принимающего четвертьволнового трансформатора 13. Конструкции трансформатора 13 и трансформатора 5 идентичны. Низкопотенциальный вывод 14 четвертьволновой обмотки 12 заземлен.
При этом на высокопотенциальном выводе 8 обмотки 6 формируется пучность (максимум) потенциала, на низкопотенциальном выводе 7 обмотки 6 формируется узел (минимум) потенциала. Вдоль всей обмотки укладывается одна четверть стоячей волны тока и напряжения. Узел (минимум) тока располагается на высокопотенциальном выводе 8, а пучность (максимум) тока размещается около низкопотенциального вывода 7 обмотки 6. В случае включения однопроводной линии 9 передачи электрической энергии между низкопотенциальными выводами 7 и 14 передающего 5 и принимающего 13 трансформаторов электрический ток поступает в однопроводную линию 9 передачи электрической энергии через вывод 7 обмотки 6. Конец однопроводной линии 9 соединен с низкопотенциальным выводом 14 четвертьволновой обмотки 12 принимающего четвертьволнового трансформатора 13. Обмотка 12 идентична обмотке 6 и работает также в четвертьволновом режиме. При этом выводы 8 и 11 передающего четвертьволнового трансформатора 5 и принимающего четвертьволнового трансформатора 13 находятся под высокими потенциалами и изолированы. Таким образом, вдоль всей системы устанавливается режим полуволновой стоячей волны. Одна четверть волны расположена на обмотке 6, другая на обмотке 12. Середина полуволны размещается на однопроводной линии передачи электрической энергии 9. На линии 9 размещается узел потенциала, что приводит к исключению всех процессов, сопровождающихся пробоями изоляции и возникновением токов утечки. Размещение на однопроводной линии передачи 9 узла потенциала позволяет прокладывать линию 9 в непосредственной близости от земли над поверхностью или под поверхностью (фиг. 2) с минимальными требованиями к электрической прочности изоляции на проводнике линии.
В случае необходимости прокладки передающей линии под поверхностью земли предпочтительней оказывается этот "обращенный" способ организации однопроводной передачи электрической энергии.
Резонансные частоты обмоток 6 и 12 передающего 5 и принимающего 13 четвертьволновых трансформаторов равны между собой и равны резонансной частоте возбуждающего контура 3, 4, а также равны частоте переменного тока на выходе преобразователя 2.
При работе трансформаторов 5 и 13 в четвертьволновом режиме электрический контур, охватывающий все элементы системы - две четвертьволновые обмотки 6 и 12 и линия 9 передачи электрической энергии,  представляет полуволновую систему. При этом электрический контур системы передачи - четвертьволновая обмотка 6, линия передачи 9, четвертьволновая обмотка 12 - оказывается гальванически разомкнутым. При включении линии передачи 9 между низкопотенциальными выводами 7 и 14 четвертьволновых обмоток 6 и 12 высокопотенциальные выводы 8 и 11 во время работы системы остаются неподключенными и изолированными.
При включении линии передачи 9 между высокопотенциальными выводами 8 и 11 (фиг. 1) гальваническая разомкнутость электрического контура системы передачи - четвертьволновая обмотка 6, линия передачи 9, четвертьволновая обмотка 12 - остается, несмотря на заземления низкопотенциальных выводов 7 и 14, т.к. токи в заземленных выводах 7 и 14 находятся в противофазе. Таким образом, каждая из четвертьволновых обмоток 6 и 12 работают как автономные синхронизированные между собой четвертьволновые вибраторы. Передача энергии происходит за счет волнового механизма с участием токов смещения.
При использовании в качестве передающего и принимающего резонансных трансформаторов (фиг. 3, 4) электрический конденсатор 3 в зависимости от выходного сопротивления преобразователя 2 может быть включен параллельно обмотке 4. Вторичная, высоковольтная обмотка 6 передающего резонансного трансформатора 5 одним выводом 7 заземлена непосредственно около передающего трансформатора 5, другим, высокопотенциальным выводом 8 соединена с однопроводной линией передачи электрической энергии 9.
К концу однопроводной линии 9 передачи электрической энергии подключен высокопотенциальный вывод 11 высоковольтной резонансной обмотки 12 принимающего трансформатора 13. Низкопотенциальный вывод 14 обмотки 12 заземляется непосредственно около резонансного трансформатора 13.
ов
01
Г
При электрической настройке охранно-защитного заграждения обеспечивается равенство собственных частот f и f между собой и равенство их выходной частоте f преобразователя 2.
Г
ов
01
02
В настроенной системе охранно-защитного заграждения f=f=f=f
Однопроводная линия передачи 9 может быть размещена под поверхностью грунта. В этом случае она помещается в защитный экран 10 (фиг. 4).
В разрывы линии 9 передачи электрической энергии последовательно по отношению друг к другу включены первичные обмотки 15 адаптеров для локального отбора электрической энергии, питающие любые известные модули генерации высоковольтных электрических импульсов активного воздействия на злоумышленника при попытке преодолеть охранно-защитное заграждение, например блок преобразователя импульсный по патенту на полезную модель RU №134721. Высоковольтные импульсы через проходные изоляторы 16 выводятся на электризуемые токопроводящие элементы 17, которые размещаются вдоль охраняемого периметра на несущих опорах 18 произвольной конструкции. Расстояние между опорами 18 вдоль охраняемого периметра определяется мощностью модулей электрических импульсов.
В случае отсутствия необходимости формирования специальных по форме электрических импульсов для активного воздействия на нарушителя, возможно включение в разрывы линии передачи 9 первичных обмоток 15 адаптеров 20 с несколькими вторичными повышающими обмотками, индивидуально питающих через проходные изоляторы 16 электризуемые элементы 17.
При работе трансформаторов в резонансном режиме (фиг. 3, 4) электрический контур, охватывающий все элементы системы - две резонансные обмотки 6 и 12, линия передачи 9 и «земля» между заземленными выводами 7 и 14 - представляют замкнутый резонансный контур. Здесь «земля» между заземлениями является «обратным проводом» по отношению к передающей линии 9, которая в этом смысле лишь условно может считаться однопроводной линией передачи электрической энергии. Передача энергии происходит за счет токов проводимости в элементах системы и напряжений, создаваемых источником питания.
Таким образом, электрическая энергия из промышленного источника 1 передается электризуемым элементам 17 в режимах разомкнутого (волновой механизм) или замкнутого контура.
Электризуемое охранно-защитное заграждение работает следующим образом. Электрическая энергия от промышленного источника 1 через преобразователь 2 электрической энергии промышленной частоты 50 Гц преобразуется в энергию переменного тока с частотой, лежащей в звуковом диапазоне (0,5÷20,0) кГц.
Частота тока на выходе преобразователя 2 задается равной резонансной частоте возбуждающего последовательного или параллельного резонансного контура, состоящего из электрического конденсатора 3 и возбуждающей обмотки 4 резонансного передающего трансформатора 5. Такое подключение трансформатора 5 к преобразователю 2 способствует максимальному снижению фазового рассогласования тока и напряжения на выходе преобразователя 2. Протекающий по обмотке 4 ток создает магнитный поток, охватывающий в том числе и витки обмотки 6 трансформатора 5.
Система электризуемого заграждения имеет возможность передавать электрическую энергию для питания обслуживающего систему охраны вспомогательного оборудования. При этом на принимающем трансформаторе устанавливается низковольтная обмотка 19 для съема электроэнергии.
Пример 1 выполнения электризуемого защитно-охранного устройства.
2
К промышленному источнику 1 электрической энергии с частотой 50 Гц (фиг. 1) подключен преобразователь 2 электрической энергии частотой 50 Гц в переменный ток повышенной частоты с диапазоном регулирования (0,5÷20,0) кГц. Напряжение на выходе преобразователя регулируется в диапазоне (50÷450) В. К выходу преобразователя 2 через электрический конденсатор 3 (1,0 мкФ) подключена обмотка возбуждения 4 четвертьволнового питающего трансформатора 5. Обмотка возбуждения 4 выполнена, например, медным проводом (d=5 мм), число витков 50. Обмотка 4 размещена у заземляемого, низкопотенциального вывода 7 четвертьволновой обмотки 6 передающего трансформатора 5. Обмотка 6 выполнена в виде последовательно соединенных между собой самостоятельных катушек (15 шт.). Ширина катушки 50 мм. Расстояние между катушками 50 мм. Диаметр каркаса резонансной обмотки 0,35 м. Высота каркаса 2,0 м. Провод обмотки 6 многожильный с общим сечением 0,25 мм. Электрическая изоляция провода обмотки 6 двухслойная с электрической прочностью 40,0 кВ. Рабочее положение четвертьволновой обмотки 6 вертикальное. Низкопотенциальный нижний вывод 7 обмотки 6, заземлен непосредственно у трансформатора 5. В области нижнего вывода 7 расположена обмотка возбуждения 4. Четвертьволновой трансформатор 5 выполняет роль передающего. Однопроводная линия передачи электрической энергии 9 выполнена, например, стальным проводом диаметром 3 мм, длиной 3 км. Начало однопроводной линии соединено с высоковольтным выводом четвертьволновой обмотки 6 передающего трансформатора 5. Конец линии 9 соединен с высоковольтным выводом четвертьволновой обмотки 12 принимающего трансформатора 13. Конструкция принимающего трансформатора 13 идентична конструкции передающего трансформатора 5. Низкопотенциальный вывод 14 обмотки 12 заземлен непосредственно около трансформатора 13. В разрывы линии передачи 9 через каждые 200 м включены четырнадцать трансформаторных адаптеров. Адаптер представляет собой, например, двухобмоточный трансформатор на ферритовом сердечнике разомкнутого типа. Сердечник представляет собой прямоугольный брусок феррита сечением (20×20) мм, длиной 180 мм. Коэффициент трансформации 1:1. Вторичная обмотка подключена к питающей колодке модуля генератора высоковольтных импульсов по полезной модели (патент №134721). Нагрузкой генераторов высоковольтных импульсов является штатный электризуемый элемент 17 защитно-охранного заграждения. Потребляемая мощность каждого генератора высоковольтных импульсов около 100 Вт. При частоте 7,2 кГц напряжение на линии передачи 9 лежит в пределах (8,0÷15,0) кВ. При таком напряжении на линии передачи на выходе генераторов высоковольтных импульсов по патенту №134721 генерировались импульсы с паспортными параметрами, что позволяло достигать на электризуемых элементах заграждения заданных напряжений, препятствующих преодолению ограждения. Указанный режим за счет постоянства тока обеспечивал постоянство параметров высоковольтных импульсов и эффекта воздействия вдоль всего периметра ограждения. Линия передачи закреплена над землей на высоте 5 м.
2
2
Пример 2 выполнения электризуемого защитно-охранного устройства. К источнику 1 электрической энергии промышленного формата (3 фазы x380 В), 50 Гц (фиг. 3) подключен преобразователь 2 электрической энергии промышленного формата в формат однофазного переменного тока повышенной частоты с диапазоном (0,5-20,0) кГц. Энергетические параметры преобразователя 2 аналогичны параметрам преобразователя 2 по примеру 1. Преобразователь 2 через электрический конденсатор 3 с помощью обмотки возбуждения 4 на резонансной частоте 17,0 кГц возбуждает четвертьволновую обмотку 6 четвертьволнового передающего трансформатора 5. Высокопотенциальный вывод четвертьволновой обмотки 6 оставлен свободным. Низкопотенциальный вывод соединен с началом линии 9 передачи электрической энергии. Конец линии передачи 9 соединен с низкопотенциальным выводом обмотки 12 принимающего четвертьволнового трансформатора 13. В разрывы линии передачи на расстоянии 200 м друг от друга включены первичные обмотки 15 трансформаторных адаптеров локального съема электрической энергии. Линия передачи выполнена медным проводом сечением 2,5 мм, проложена в грунте на глубине 0,1 м. Длина линии 3 км. Трансформаторные адаптеры представляют собой двухобмоточные трансформаторы с ферритовыми сердечниками разомкнутого типа. Сердечник представляет собой прямоугольный брусок феррита сечением (20×20) мм, длиной 180 мм. Коэффициент трансформации 1:1. Перепад потенциалов на концах линии передачи (2,5-3,0) кВ. Выходы трансформаторных адаптеров соединены с питающими колодками генераторов высоковольтных импульсов. Нагрузками генераторов высоковольтных импульсов являются штатные электризуемые элементы 17 защитно-охранного заграждения.
В качестве генераторов высоковольтных импульсов воздействия применены генераторы по патенту №134721. Вдоль всего периметра зарегистрировано совпадение параметров импульсов.
Преимущества предлагаемого электризуемого охранно-защитного заграждения заключаются в том, что величина электрического тока вдоль всей линии передачи остается неизменной, а также слабо зависит от электрической нагрузки на линию. Эти особенности тока обеспечивают снижение потерь энергии на линии и возможность оптимального выбора диаметра и материала провода (возможно применение плохо проводящих материалов) линии без существенного снижения к.п.д. Исключается возможность развития аварийных ситуаций из-за короткого замыкания проводника линии передачи на землю, а при возникновении попадания провода линии на землю все генераторы высоковольтных импульсов между началом линии передачи и точкой закорочения продолжают функционировать в штатном режиме по охране «своего» участка охраняемого периметра. После устранения закоротки вся линия передачи продолжает работать в штатном режиме без необходимости в проведении поставарийных ремонтно-восстановительных работ. Сохранение работоспособности защиты при КЗ на линии, а также исключение необходимости поставарийных мероприятий увеличивает «живучесть» охранно-защитного заграждения. При работе с низкопотенциальной однопроводной линией передачи электрической энергии обеспечивается возможность малозатратной, с повышенным эффектом маскировки, прокладки линии передачи над или под поверхностью земли даже в районах с высокой электропроводностью грунта. Имеется возможность одновременно с питанием охранной системы передавать электрическую энергию для питания обслуживающего ее оборудования вдоль всего охраняемого периметра.