УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ, ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ ТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ ОТ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
IMPROVED DEVICE FOR MEASURING ELECTRICAL POWER CONSUMED BY RAILWAY VEHICLE FROM HIGH-VOLTAGE POWER SUPPLY LINE

Настоящее изобретение относится к устройству для измерения электрической мощности, подаваемой на железнодорожное транспортное средство по высоковольтной линии электропитания.
Более конкретно, изобретение относится к усовершенствованному устройству для измерения электрической мощности, потребляемой железнодорожным транспортным средством, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.
Устройство этого типа описано, например, в европейской патентной заявке ЕР 1882954 А1. В устройстве, описанном в указанном документе, средства для измерения тока, делитель напряжения и относящиеся к нему средства обработки расположены в верхней полости (или области высокого напряжения) внутри изолятора, разделенного с помощью второй полости (или области низкого напряжения), образованной в нижней части того же изолятора, который, кроме того, содержит преобразователь электрической энергии в оптическую, выполненный с возможностью передачи энергии на указанное средство обработки, а также оптико-электрические преобразователи, которые обеспечивают сигналы/данные, указывающие напряжение и соответствующий ток.
В европейской патентной заявке EP 3 308 174 A1 раскрыто устройство для измерения электрической энергии, потребляемой железнодорожным транспортным средством от высоковольтной линии сети электропитания, включающее в себя датчик тока, подключенный к линии электропитания, резистивный делитель напряжения, подключенный между линией и землей, первые устройства обработки, подключенные к датчику тока, вторые устройства обработки, подключенные к выходу делителя напряжения. Датчик тока, соответствующие устройства обработки и делитель напряжения расположены в полости внутри изолятора линии. Контактный вывод с самым низким потенциалом делителя напряжения подключен к проводящему элементу, который выходит за пределы полости изолятора. Полый проводящий корпус, соединенный с землей, содержит вторые устройства обработки и соединен с нижним концом изолятора. Он включает в себя стенку, расположенную напротив элемента, чтобы образовывать с ним разрядник.
Одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить устройство для измерения электрической мощности, потребляемой железнодорожным транспортным средством, с улучшенным при этом измерением напряжения упомянутой линии питания, а также улучшенной устойчивостью устройства к неисправностям.
Еще одна задача изобретения – обеспечить высокий уровень безопасности даже при наличии значительных импульсных перенапряжений.
Эта и другие задачи достигаются с помощью устройства для измерения электрической мощности, подаваемой на железнодорожное транспортное средство по высоковольтной линии электропитания, содержащего:
средства для резистивного деления напряжения, функционально подключенные между указанной линией электропитания и контактным выводом заземления,
первые средства обработки, соединенные с выходом указанных средств для резистивного деления напряжения и выполненные с возможностью формирования сигналов или данных, указывающих напряжение указанной линии электропитания,
средства для измерения тока, функционально подключенные к указанной линии электропитания, и
вторые средства обработки, соединенные с указанными средствами для измерения тока и выполненные с возможностью формирования сигналов или данных, указывающих силу тока, потребляемого транспортным средством из линии электропитания,
при этом указанные первые средства обработки выполнены с возможностью также вычисления мощности, потребляемой линией электропитания, в зависимости от формируемых сигналов или данных, указывающих силу тока, потребляемого транспортным средством от линии электропитания, и формируемых сигналов или данных, указывающих напряжение указанной линии электропитания,
указанные средства для резистивного деления напряжения содержат несколько делителей напряжения, функционально подключенных к указанной линии электропитания и образующих отдельные соответствующие пути подключения к указанному контактному выводу заземления, при этом
указанные первые средства обработки содержат несколько отдельных модулей обработки, каждый из которых подключен к соответствующему одному из указанных путей подключения и выполнен с возможностью формирования соответствующих сигналов или данных, указывающих напряжение указанной линии электропитания.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения характеризуются также одним или несколькими следующими признаками:
каждый делитель напряжения включает в себя верхние резисторные средства для понижения напряжения и нижние измерительные резисторные средства, соединенные последовательно вдоль соответствующего пути подключения, при этом каждый модуль обработки выполнен с возможностью получения показаний напряжения на соответствующем нижнем измерительном резисторном средстве вдоль соответствующего пути подключения;
каждый модуль обработки включает в себя средства для усиления, подключенные к указанному соответствующему нижнему измерительному резисторному средству, причем выход усилителя подключен через средства для аналого-цифрового преобразования к блоку управления и обработки, выполненному с возможностью вычисления данных, указывающих напряжение линии на основе указанных показаний напряжения;
указанные первые средства обработки включают в себя модуль оценки, выполненный с возможностью сравнения данных, указывающих напряжение линии, вычисляемое каждым блоком управления и обработки, между ними, при этом разница между вычисленными данными, превышающая заданное пороговое значение, указывает на отклонение от нормы;
указанные верхние резисторные средства каждого делителя напряжения имеют разное значение сопротивления, и указанные нижние измерительные резисторные средства каждого делителя напряжения имеют разное значение сопротивления;
указанные средства для деления напряжения расположены в полости внутри линейного изолятора и контактный вывод с самым низким потенциалом каждого делителя) напряжения расположен на заданном расстоянии от корпуса, изготовленного из электропроводящего материала, расположенного на нижнем конце указанного изолятора и вне полости указанного изолятора, причем корпус выполнен с возможностью функционального подключения к земле, и в корпусе размещены указанные первые средства обработки, так чтобы формировать, кроме того, соответствующие отдельные разрядники, способные генерировать электрический разряд, когда напряжение по меньшей мере на одном из указанных разрядников превышает заданное значение;
каждый контактный вывод с самым низким потенциалом каждого делителя напряжения соединен с соответствующим элементом в виде пластины, изготовленным из электропроводящего материала, который простирается за пределы полости указанного изолятора, указанный корпус, изготовленный из электропроводящего материала и расположенный на нижнем конце указанного изолятора, представляет собой полый корпус, причём указанный полый корпус включает в себя стенку в виде пластины, расположенную напротив указанных элементов в виде пластины на заданном расстоянии от них.
Это решение обеспечивает устройство для измерения электрической мощности, потребляемой из высоковольтной линии электропитания, в соответствии с действующими стандартами, в частности стандартом EN50463.
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения изложены в подробном описании ниже, предоставленном исключительно в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- Фиг. 1 представляет вид в перспективе устройства для измерения электрической мощности, в соответствии с предшествующим уровнем техники.
- Фиг. 2 - блок-схема, в частности с блоками, показывающими измерительное устройство, в соответствии с настоящим изобретением,
- Фиг. 3 представляет вертикальный разрез устройства для измерения электрической мощности, в соответствии с настоящим изобретением, и
- Фиг. 4 представляет частичный увеличенный вид в разрезе нижней части, показанной на фиг. 3.
На чертежах ссылочной позицией 1 обозначено устройство в общем, для измерения электрической мощности, подаваемой от высоковольтной линии электропитания к железнодорожному транспортному средству.
Линия электропитания представляет собой, например, линию 25 кВ переменного тока (50 Гц) или линию 15 кВ переменного тока (16 + 2/3 Гц) или линию 3 кВ постоянного тока.
В показанном примере измерительное устройство 1 включает в себя традиционный линейный изолятор 2, на верхней части которого установлен верхний контейнер, обозначенный в общем ссылочной позицией 3, а к основанию прикреплено нижнее основание или контейнер 4.
На фиг. 2 схематично показана блок-схема измерительного устройства, согласно настоящему изобретению, общая конструкция которого аналогична известному уровню техники, изображенному на фиг. 1. На фиг. 3 показан вертикальный разрез измерительного устройства, показанного на фиг. 2.
Как показано на фиг. 1 и 3, верхний контейнер 3 содержит верхнюю горизонтальную металлическую пластину 5 и нижнюю горизонтальную металлическую пластину 6, которые частично расположены напротив друг друга (фиг. 2).
Между обращенными друг к другу частями пластин 5 и 6 имеется множество контактных штырей 7, которые электрически параллельно соединены друг с другом, чтобы вместе образовывать шунтирующий резистор с заданным значением сопротивления, например, около 10 мкОм.
Как схематично показано на фиг. 2, верхняя металлическая пластина 5 выполнена с возможностью подключения в процессе работы к высоковольтной линии L электропитания, например, через пантограф 8. И наоборот, нижняя металлическая пластина 6 предназначена для подключения к тяговым двигателям.
Как показано на фиг. 2, пластины 5 и 6 или контактные выводы шунтирующего резистора, образованного контактными штырями 7, включенными параллельно, подключены ко входу схемы 9 обработки и усиления. Эта схема 9 обеспечивает сигнал, соответствующий напряжению переменного тока на линии L, для выхода 9a и сигнал, соответствующий напряжению постоянного тока на упомянутой линии, для выхода 9b.
Сигналы, выдаваемые схемой 9 обработки и усиления, проходят через соответствующие усилители 10a, 10b на соответствующие входы блока 11, действующего как мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь. Последний подключен к блоку 12 управления и обработки и управляется им, например, с использованием программируемой вентильной матрицы (FPGA), выполненной с возможностью формирования сигналов или данных, соответствующих силе тока, потребляемого транспортным средством от линии L электропитания.
Блок 12 управления и обработки подключен ко входу электрооптического управляющего устройства (преобразователя) 13, выход которого подключен к оптическому волокну 14.
Блок 12 также подключен к выходу электрооптического приемника/ преобразователя 15, вход которого подключен к оптическому волокну 16.
Хотя на блок-схеме на фиг. 2 схема 9 обработки и усиления, усилители 10a, 10b, аналого-цифровой преобразователь-мультиплексор 11, блок 12 и преобразователи 13 и 15 показаны как находящиеся вне изолятора 2, фактически, эти устройства (и другие, описанные ниже) размещены на печатной плате 17, установленной в верхней торцевой части осевой полости 18, образованной в изоляторе 2 (см. фиг. 3).
Со ссылкой на фиг. 2, напряжения прямой подачи питания, необходимые для устройств, установленных на печатной плате 17, подаются, например, с помощью силового лазерного приемника 19, который использует оптическое волокно 20 для приема мощного лазерного луча (например, 2 Вт), преобразуя оптическую энергию в электрическую, которую он передает в блок 21 управления напряжением питания. Лазерный приемник 19 и блок 21 предпочтительно размещаются на той же самой печатной плате 17.
В варианте осуществления изобретения, не показанном на чертежах, оптические волокна 14, 16 и 20 проходят внутри полости 18 изолятора 2 от преобразователей 13, 15 и 19, установленных на плате 17, до компонентов (которые описаны ниже) внутри корпуса 4 основания.
Как показано на фиг. 2, средства для резисторного деления напряжения, обозначенные в общем позицией 23, подключены между платой 5 и контактным выводом 22, который выполнен с возможностью заземления.
В показанном варианте осуществления изобретения средства 23 для деления напряжения содержат множество делителей напряжения, функционально подключенных к линии L электропитания и образующих отдельные соответствующие пути подключения к упомянутому электрическому заземляющему контактному выводу 22. В иллюстративном варианте показаны два делителя 23a, 23b напряжения, соединенные параллельно, каждый из них включает в себя соответствующие верхние резисторные средства 24a, 24b и нижние измерительные резисторные средства 25a, 25b, соединенные вместе последовательно, каждое из которых содержит один или несколько резисторов.
Каждое из верхних резисторных средств 24a, 24b имеет сопротивление от 40 МОм до 60 МОм, предпочтительно около 50 МОм. Верхние резисторные средства 24a, 24b каждого делителя 23a, 23b напряжения могут иметь разное значение сопротивления, и нижние измерительные резисторные средства 25a, 25b каждого делителя 23a, 23b напряжения могут иметь разное значение сопротивления.
Средства обработки подключены к выходам 26a, 26b упомянутых делителей напряжения 23a, 23b и выполнены с возможностью формирования сигналов или данных, указывающих напряжение упомянутой линии L электропитания. Упомянутые средства обработки содержат множество отдельных модулей обработки, каждый из которых соединен с соответствующим одним из упомянутых соединительных путей и выполнен с возможностью формирования соответствующих сигналов или данных, указывающих напряжение упомянутой линии L электропитания. На фиг. 2 показаны два модуля 27a, 27b обработки, соответственно подключенные к нижним измерительным резисторным средствам 25a, 25b. Каждый модуль 27a, 27b обработки выполнен с возможностью получения считываемых показаний напряжения на соответствующем нижнем измерительном резисторном средстве 25a, 25b вдоль соответствующего соединительного пути.
В показанном иллюстративном варианте осуществления изобретения верхние резисторные средства 24a, 24b делителей 23a, 23b напряжения имеют соответствующие верхние концы, соединенные с металлическим соединительным элементом 28, и нижние концы, соединенные с соответствующими нижними металлическими основаниями 30a, 30b, отделенными друг от друга.
Нижние металлические основания 30а, 30b прикреплены к электроизоляционному материалу 29, который по существу имеет форму диска, который закрывает дно полости 18, образованной внутри изолятора 2 (см. также фиг. 4).
Дискообразный элемент 29 имеет по меньшей мере одно центральное отверстие 29а.
Как показано на фиг. 3 и 4, верхние резисторные средства 24a, 24b делителей 23a, 23b напряжения полностью проходят внутри полости 18 изолятора 2.
В частности, как показано на фиг. 4, нижние металлические основания 30a, 30b сформированы как элементы в виде пластин, изготовленные из электропроводящего материала, и расположены на нижней поверхности дискообразного элемента 29.
Основание 4 в проиллюстрированном варианте осуществления изобретения включает в себя металлический корпус 32, по существу имеющий форму перевернутой чаши, при этом задняя стенка 32a прикреплена к нижнему концу изолятора 2 с помощью болтов 33 или аналогичных средств, и также имеет центральное отверстие 32b.
Корпус 32 закрыт снизу крышкой, обозначенной ссылочной позицией 35 на фиг. 4, на которой полость или камера, сформированная внутри указанного корпуса 32, обозначена ссылочной позицией 36.
В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения нижняя часть корпуса 32 имеет пару горизонтальных ребер 32c, выступающих в поперечном направлении наружу и содержащих соответствующие отверстия 32d, используемые для присоединения к заземляющему проводнику.
На стороне, противоположной ребрам 32с, корпус 32 имеет трубчатый цилиндрический выступ 32е, вставленный в соответствующую кольцевую полость, образованную в стенке изолятора 2 (см. фиг. 4).
Центральная часть задней стенки 32a металлического контейнера 32 ориентирована таким образом, чтобы она была напротив элементов 30a, 30b в виде пластин, от которых она отделена заданным калиброванным расстоянием.
В общем, элементы 30a, 30b в виде пластин и корпус 32 (и, в частности, его стенка 32a) образуют пару отдельных разрядников, схематично показанных и обозначенных ссылочными позициями 40a, 40b на фиг. 2, между контактными выводами 30a, 30b с самым низким потенциалом в верхних резисторных средствах 24a, 24b и заземлением E.
В случае кратковременного повышения напряжения в сети, которое превышает предварительно заданное значение, между элементами 30a, 30b в виде пластин и стенкой 32a контейнера 32 генерируется электрический разряд, который предотвращает повреждение устройств, установленных в полости 36 основания 4, 32, которые более подробно описаны ниже.
Две печатные платы 37 и 38, несущие на себе разнообразные различные устройства, описанные ниже со ссылкой на блок-схему на фиг. 2, собраны в полости 36, образованной в основании 4, или внутри корпуса 32 в форме чаши.
Как показано на этой блок-схеме, измерительные резисторные средства 25a, 25b, которые имеют сопротивление от 2 кОм до 4 кОм, а предпочтительно, например, приблизительно 3 кОм, собраны в основании 4.
Соответствующие усилители 41a, 41b подключены через упомянутые резисторные средства 25a, 25b, выход усилителей подключен к соответствующим аналого-цифровым преобразователям 42a, 42b, подключенным к соответствующим блокам 43a, 43b управления и обработки, которые также являются, например, программируемыми логическими интегральными схемами (FPGAs, ПЛИС). Блоки 43a, 43b управления и обработки выполнены с возможностью вычисления данных, указывающих напряжение линии L, на основании показаний напряжения, получаемых каждым модулем 27a, 27b обработки.
Средства обработки внутри основания 4 включают в себя модуль 50 оценки, выполненный с возможностью сравнения данных, указывающих напряжение линии L, вычисленное каждым блоком 43a, 43b управления и обработки, между ними. Разница между вычисленными данными, превышающая предварительно заданное пороговое значение, указывает на отклонение от нормы.
Средства обработки внутри основания 4 также выполнены с возможностью вычисления мощности, потребляемой линией L электропитания, в зависимости от сформированных сигналов или данных, указывающих силу тока, потребляемого транспортным средством от линии L электропитания, и сформированных сигналов или данных, указывающих напряжение упомянутой линии L электропитания. Для этой цели обеспечивается приемник 52, такой как электрооптический преобразователь, вход которого подключен к оптическому волокну 14, через которое блок 12 управления и обработки отправляет данные индикации силы тока, измеренного с помощью шунтирующего резистора 5-7.
Выход приемника 52 соединен с вычислительным блоком 54, сформированным, например, с использованием устройства DSP цифровой обработки сигналов и микроконтроллера, который также принимает данные, отправленные блоками 43a, 43b, или связанные с ними данные, такие как усреднённые данные, указывающие напряжение линии L, измеренное с использованием делителей 23a, 23b напряжения.
Вычислительный блок 54 также подключен к передатчику, например, к электрооптическому преобразователю (не показан), выход которого подключен к оптическому волокну 16, чтобы отправлять данные синхронизации в блок 12 управления и обработки.
Внутри основания 4 могут быть предусмотрены различные другие устройства, такие как блок питания, используемый для подачи напряжения на различные устройства в основании 4, электрооптический передатчик/преобразователь с оптоволоконным выходом для подключения к внешнему оборудованию, блок UART для подключения внешних устройств, интерфейса сетевой связи (например, Ethernet), интерфейса, например, интерфейса RS-485, и релейного выхода.
Электрические соединения устройств внутри основания 4 с «внешним миром» могут быть предпочтительно обеспечены с использованием многополюсного электрического соединителя, такого как соединитель, который обозначен с помощью ссылочного обозначения C на фиг. 1.
Основание 4 также включает в себя источник энергии в виде источника оптического излучения, такого как твердотельный лазерный генератор для генерации мощного лазерного пучка, или один или нескольких светоизлучающих диодов.
В рабочем состоянии описанное выше измерительное устройство 1 работает по существу следующим образом:
Устройства, которые несет на себе печатная плата 17, расположенная в верхней части внутренней полости изолятора 2, измеряют силу тока, потребляемого от линии L, с использованием резистивного шунтирующего устройства 5-7. Блок 12 управления и обработки отправляет соответствующие данные в вычислительный блок 54, расположенный в основании 4 измерительного устройства 1, через электрооптический преобразователь 13, оптическое волокно 14 и оптико-электрический преобразователь или приемник 52 внутри упомянутого основания.
Вычислительный блок 54 также получает данные, указывающие напряжение линии L, через делители 23a, 23b напряжения и модуль 50 оценки.
Затем вычислительный блок 54 может вычислить мощность, потребляемую от линии L, которая по существу пропорциональна произведению силы потребляемого тока и напряжения на линии. Используя информацию о потребляемой мощности, вычислительный блок 54 может также вычислить, сколько энергии потребляется линией L в течение заданного периода времени, вычисляя интегрированное значение произведения мощности, умноженной на время.
В случае кратковременного повышения напряжения, превышающего предварительно заданное значение, разрядники 40a, 40b независимо друг от друга или вместе генерируют разряд на землю, тем самым защищая все устройства, которые несет на себе основание 4 измерительного устройства 1.
Естественно, несмотря на принцип изобретения, средства реализации и конкретные варианты осуществления изобретения могут сильно отличаться от описанных и проиллюстрированных исключительно в качестве неограничивающего примера, не выходя, таким образом, за пределы объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.