Электрооборудование с мониторингом повреждения
ELECTRICAL EQUIPMENT WITH DAMAGE MONITORING

Изобретение относится к мониторингу электрооборудования. Появление повреждения в электрооборудовании может повлечь за собой критические последствия, и его необходимо отслеживать, чтобы, при необходимости, принять соответствующие меры во избежание этих критических последствий.
Изобретение относится к двум принципиальным вариантам повреждения, которые могут воздействовать на электрооборудование: появление электрических дуг между двумя разными потенциалами, которые могут повлечь за собой разрушение элементов электрической изоляции, и возникновение перегрева, который может повлечь за собой тепловую перегрузку.
Появление перегрева может быть обнаружено датчиком температуры. Он может быть резистивным датчиком с положительным или отрицательным температурным коэффициентом. Датчик температуры связан с электрической цепью и имеет возможность обнаруживать превышение максимально допустимой температуры, в случае превышения может быть активизирован аварийный сигнал. Также имеется возможность прервать электропитание всего или части оборудования с целью устранения причины перегрева.
Обнаружение дуги может быть осуществлено отслеживанием тока, протекающего в оборудовании, а именно - обнаружением высокочастотных составляющих, появляющихся в токе. Как и для перегрева, обнаружение дуги может быть связано с аварийным сигналом или с прекращением электропитания оборудования.
Изобретение предлагает простое средство, позволяющее отследить появление электрических дуг и, в случае необходимости, появление перегрева.
С этой целью изобретение имеет объектом электрооборудование, включающее в себя:
две электрически изолированные цепи,
экран в виде пленки, расположенной между двумя электрическими цепями, при этом экран включает в себя подложку и проводящую нить, расположенную на подложке,
модуль, выполненный с возможностью вызывать протекание тока в проводящей нити и обнаруживать разрыв проводящей нити по прекращению протекания тока.
Модуль преимущественно выполнен с возможностью размыкания контактора, если протекающий в нити ток нулевой. Обнаружение разрыва нити может осуществляться контролем того, оказывается ли протекающий по нити ток ниже заданного порога.
Контактор может обеспечивать электропитание по меньшей мере одной из цепей.
В конкретной конфигурации изобретения, первая из двух цепей имеет фронтальную поверхность, вторая из двух цепей имеет фронтальную поверхность, обе фронтальные поверхности находятся напротив друг друга. Определена общая поверхность, соответствующая наибольшему находящемуся напротив участку двух фронтальных поверхностей. Размеры поверхности экрана превосходят размеры общей поверхности.
Нить преимущественно образована из резистивного материала с ненулевым температурным коэффициентом. Таким образом, измерение сопротивления нити позволяет обнаружить повреждение в случае перегрева одной из цепей.
Нить извивается преимущественно регулярным образом на поверхности подложки. Таким образом, может быть обнаружено любое повреждение, даже локальное.
Преимущественно, нить образована двумя отдельными электрическими проводниками. Эти два проводника позволяют, в частности, дублирование в случае повреждения одной из нитей.
Преимущественно, оба электрических проводника покрывают по существу всю полезную поверхность экрана. Полезная поверхность - это наименьшая поверхность выпуклого контура экрана, окружающего нить. Таким образом, может быть обнаружено любое повреждение, возникающее в одной из цепей напротив полезной поверхности.
Преимущественно, оба электрических проводника расположены на подложке так, чтобы ограничивать поверхность витка, образованного нитью. Эта конфигурация позволяет ограничить вероятный антенный эффект, создаваемый нитью.
Преимущественно, экран образует электростатический экран между двумя цепями.
В конкретной конфигурации изобретения, каждая из цепей представляет собой обмотку, и при этом оборудование образует трансформатор.
В конфигурации, где оборудование образует трансформатор, экран расположен преимущественно параллельно главному направлению магнитного поля, связывающего обе обмотки. Это ограничивает эффект электромагнитной связи нити с обмотками.
Изобретение будет лучше понято и другие преимущества будут видны из чтения подробного описания варианта реализации, приведенного в качестве примера, описания, проиллюстрированного сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг. 1 схематично изображает оборудование, соответствующее изобретению;
Фиг. 2 и 3 - два варианта реализации нитей, оснащающих экран, расположенный между двумя электрическими цепями оборудования на Фиг. 1;
Фиг. 2a и 3a - эквивалентные схемы нитей, изображенных на Фиг. 2 и 3;
Фиг. 4 и 5 - раздельное представление двух проводников, образующих нить, изображенную на Фиг. 3 и 3a;
Фиг. 6 и 7 - два варианта присоединения двух проводников, образующих нить на Фиг. 3;
Фиг. 6a и 7a - эквивалентные схемы вариантов присоединения на Фиг. 6 и 7;
Фиг. 8 - пример модуля, присоединенного к экрану;
Фиг. 9 - трансформатор, использующий изобретение.
Для ясности, одни и те же элементы имеют те же самые обозначения на различных чертежах.
На Фиг. 1 представлен пример электрооборудования 10, включающего в себя две электрически изолированных цепи 12 и 14. Для использования изобретения, обе цепи 12 и 14 могут выполнять различные функции и могут включать в себя различные электрические или электронные компоненты. Одна из двух цепей может быть простой электрической массой. Изобретение полезно тогда, когда возможен риск перегрева в по меньшей мере одной из двух цепей, и/или когда возможен риск возникновения электрической дуги между двумя цепями.
Для обнаружения повреждения, электрооборудование 10 включает в себя экран 16, расположенный между двумя цепями 12 и 14. Экран 16 содержит изолирующую подложку 18 и проводящую нить 20, расположенную на подложке 18. Обе цепи 12 и 14 обладают так называемой фронтальной поверхностью 22 для цепи 12 и 24 для цепи 14. Обе фронтальные поверхности 22 и 24 находятся напротив друг друга. Экран 16 в виде пленки, вставляется между обеими фронтальными поверхностями 22 и 24. Электрооборудование 10 включает в себя также модуль 26, выполненный с возможностью вызывать протекание тока в нити 20 и осуществлять мониторинг этого тока.
Далее будет видно, как мониторинг тока позволяет обнаружить перегрев, возникающий в одной из цепей 12 или 14, или дугу, возникшую между двумя цепями 12 и 14.
Две фронтальные поверхности 22 и 24 могут иметь различные размеры. Определяется общая поверхность 30, соответствующая наибольшему находящемуся напротив участку двух поверхностей 22 и 24. Размеры поверхности экрана 16 могут быть меньше размеров общей поверхности 30. Экран 16 располагается тогда напротив тех зон цепей 12 и 14, где существует риск чрезмерного нагрева и/или электрической дуги. Вместе с тем относительно риска возникновения электрической дуги, она может возникнуть между другими поверхностями двух цепей 12 и 14, а не только между фронтальными поверхностями 22 и 24. Этот риск схематизирован на Фиг. 1, где дуга 36 возникает между боковой поверхностью 32 цепи 12 и боковой поверхностью 34 цепи 14. Преимущественно, размеры поверхности экрана 16 превосходят размеры общей поверхности 30 для того, чтобы позволить обнаружение дуги, возникающей между двумя фронтальными поверхностями 22 и 24 и также между двумя другими поверхностями двух цепей 12 и 14. Фактически, когда дуга 36 неожиданно возникает между двумя цепями, экран 16 пробивается.
На Фиг. 2 представлен первый вариант реализации нити 20, нанесенной на подложку 18, например, образованной эластичной пленкой, например, на основе полиимида или полиэфирэфиркетона (PEEK).
Нить 20 реализуется, например, посредством резистивного материала с ненулевым температурным коэффициентом. Этот коэффициент может быть положительным или отрицательным. Таким образом, в случае перегрева одной из цепей 12 или 14, перегрев передается нити 20 посредством теплопроводности и ее сопротивление увеличивается. Отслеживая ток, протекающий в нити 20, модуль 26 может обнаружить перегрев.
2
Кроме того, электрическая дуга, возникающая между двумя цепями 12 и 14, будет стремиться к пересечению экрана 16, перфорируя его. Обнаружение дуги может быть осуществлено, если нить 20 перерезается перфорацией экрана 16. Исходные испытания показали, что в случае дуги, в экране 16 наблюдаются отверстия в несколько см. Нить 20 расположена на подложке 18 именно там, где существует риск возникновения дуги.
2
Преимущественно, нить 20 извивается регулярным образом на поверхности подложки 18. Таким образом, обнаружение повреждения, такого как дуга или, в случае необходимости, перегрев, может быть выполнено на всей поверхности экрана 16. Ширина нити 20 и ее размещение на подложке 18 задаются так, чтобы дуга смогла перерезать нить 20. Иначе говоря, нить 20 должна обладать шириной, достаточно малой для возможности быть разрезанной дугой. Исходные испытания показали, что при появлении дуги пленка 16 перфорируется по меньшей мере на 1 см. При наименьшей ширине нити 20 в 5 мм и расстоянии между двумя соседними жилами нити также наименьшем в 5 мм, разрыв нити происходит почти наверняка, когда возникает дуга. На Фиг. 2a представлена эквивалентная схема нити 20 на Фиг. 2. Здесь имеется в виду резистивный компонент, имеющий две соединительные клеммы 38 и 40, связанные с модулем 26.
Регулярное размещение нити 20 на подложке 18 позволяет также экрану 16 выполнять функцию электростатического экрана между двумя цепями 12 и 14.
На Фиг. 3 представлен второй вариант реализации нити 20, нанесенной на подложку 18. Нить 20 образована здесь двумя электрическими проводниками 42 и 44, которые могут быть соединены с модулем 26. Так оказывается возможным обеспечить дублирование нити 20. На Фиг. 3a представлена эквивалентная схема двух проводников 42 и 44. Конечно, возможно образовать нить 20 с помощью более чем двух различных проводников.
На Фиг. 4 и 5 раздельно представлены два проводника 42 и 44, каждый их которых можно расположить на одной из поверхностей подложки 18. Оба проводника преимущественно имеют такие размеры, чтобы, накладываясь каждый на свою поверхность, они покрывали собой по существу всю полезную поверхность 46 экрана 16, представленную пунктирной линией на Фиг. 3. Полезная поверхность 46 представляет собой наименьшую поверхность выпуклого контура экрана 16, окружающего один или несколько проводников 42 и 44 образующих нить 20. Таким образом, как только дуга пересекает экран 16, перфорируя полезную поверхность 46, по меньшей мере один из двух проводников 42 или 44 повреждается, что изменяет его сопротивление. Отслеживая ток, протекающий по проводникам 42 или 44, оказывается возможным обнаружить дугу, сравнивая ток, протекающий по проводникам 42 и 44, с заданным порогом. В случае, если ток ниже этого порога, можно считать, что дуга возникла. В большинстве случаев появления дуги, по меньшей мере один из двух проводников 42 или 44 оказывается разделенным.
Более точно, полезная поверхность 46 - это поверхность, закрытая экраном 16, в которой может быть осуществлено обнаружение повреждения. Подложка 18 может быть больше, чем полезная поверхность 46 именно для того, чтобы обеспечить электрическую изоляцию обоих проводников 42 и 44 между собой и для обеспечения электрических соединений проводников 42 и 44 с модулем 26. Для покрытия всей полезной поверхности 46, каждый из двух проводников 42 и 44 занимает по меньшей мере половину полезной поверхности 46. Оба проводника 42 и 44 образованы напечатанными на подложке 18 дорожками. Для обоих проводников 42 и 44 преимущественно ширина дорожки по существу постоянна на всей их длине. Проводники 42 и 44 могут накладываться друг на друга.
То, что проводники 42 или 44 занимают всю полезную поверхность 46, позволяет также повысить вероятность обнаружения перегрева.
Для выполнения функции электростатического экрана, не является необходимым, чтобы нить 20, образованная здесь двумя проводниками 42 и 44, покрывала всю полезную поверхность 46 экрана 16. Могут существовать не покрытые зоны. Положение проводников 42 и 44 задается в зависимости от максимальной частоты, которую может не пропускать экран 16 при своей функции электростатического экранирования.
На Фиг. 6 представлен первый вариант присоединения двух проводников 42 и 44. В этом варианте, оба проводника 42 и 44 соединены параллельно. На Фиг. 6a представлена эквивалентная схема варианта на Фиг. 6. Параллельное соединение обоих проводников 42 и 44 позволяет обеспечить дублирование в функционировании нити 20.
На Фиг. 7 представлен второй вариант присоединения двух проводников 42 и 44, в котором оба проводника 42 и 44 соединены последовательно. На Фиг. 7a представлена эквивалентная схема варианта на Фиг. 7. Оба электрических проводника 42 и 44 расположены на подложке 18 так, чтобы ограничивать поверхность витка, образованного нитью 20. Иначе говоря, положение проводников 42 и 44 на подложке 18 позволяет ограничить индуктивность нити 20. Более точно, проводник 42 проходит между двумя концами 50 и 52. Также, проводник 44 проходит между двумя концами 54 и 56. Последовательное соединение проводников 42 и 44 осуществляется соединением концов 52 и 56. Кроме того, концы 50 и 54 расположены как можно ближе друг к другу для формирования клемм для нити 20, присоединяемых к модулю 26. Оба проводника 42 и 44 извиваются между своими соответствующими концами, следуя одной и той же форме, один на одной из поверхностей подложки 18, и другой на другой поверхности. Между двумя проводниками 42 и 44 осуществлен небольшой разрыв для покрытия всей полезной поверхности 46. Можно так выполнить проводники 42 и 44, чтобы они даже частично перекрывались вдоль своей траектории между своими соответствующими концами.
На Фиг. 8 представлен пример модуля 26, соединенного с экраном 16. Нить 20 питается постоянным напряжением. Модуль 26 содержит реле 60, имеющее катушку 62, приводящую в действие контактор 64. Нить 20 и катушка 62 соединены последовательно. Когда по нити 20 и по катушке 62 протекает номинальный ток, контактор 64 находится в первом состоянии, например, замкнутом. Когда сила тока оказывается ниже заданного порога, контактор 64 переходит во второе состояние, например, разомкнутое. Естественно, что два состояния контактора могут быть переключаемыми. Понижение тока может быть вызвано разрывом нити 20, например, когда электрическая дуга пересекает экран 16. Заданный порог соответствует разрыву нити 20. На практике, заданный порог зафиксирован на достаточно малом значении силы тока для номинального функционирования, и сила тока, протекающего по нити, всегда превосходит данное значение.
Понижение тока может быть также вызвано чрезмерным увеличением температуры экрана 16. Как указано ранее, нить 20 может быть образована проводником с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Когда температура экрана 16 увеличивается, то увеличивается и сопротивление нити 20, и протекающий в ней ток снижается, что может спровоцировать аварийный сигнал или изменение состояния контактора 64. Реле 60 калибруется таким образом, чтобы изменять состояние, когда сила тока, протекающего по нити, становится ниже второго заданного порога, который выше порога обнаружения разрыва нити 20. Таким образом, в случае перегрева, оказывается возможным либо произвести аварийный сигнал, либо осуществить переключение реле 60.
Модуль 26 может содержать второе реле 66, расположенное выше первого реле. Более точно, контактор 64 позволяет запитать катушку 68 второго реле 66, которая в свою очередь может изменить состояние контактора 70 второго реле 66. Установка второго реле 66 позволяет, при необходимости, установить контактор 70, позволяющий прохождение более высокого номинального тока, чем для контактора 64.
Контактор 64, или, если имеется, контактор 70, может быть помещен в цепь питания одной из цепей 12 или 14 или в цепь питания двух цепей 12 и 14. В случае повреждения, повышение сопротивления нити 20, в частности, когда нить 20 разрезана, питание данной цепи прерывается, что позволяет ликвидировать причину повреждения. В случае электрической дуги между двумя цепями 12 и 14, обнаруженной разрывом нити 20, питание одной из цепей немедленно прекращается. Альтернативно, контактор 64 может инициировать аварийный сигнал, позволяющий произвести другие типы операций с одной из цепей 12 или 14.
Возможны другие реализации модуля 26. Возможно, например, поместить в нем компаратор, сравнивающий ток, протекающий по нити 20, или напряжение, имеющееся на ее клеммах, с опорными, даже несколькими опорными токами или напряжениями. На выходе компаратора тогда выводится информация о наличии или отсутствии повреждения. Как и ранее, эта информация может быть использована для прерывания питания одной из цепей 12 или 14, даже двух цепей.
На Фиг. 9 представлен трансформатор 80, использующий изобретение. Трансформатор 80 содержит две обмотки 82 и 84, электрически изолированные и магнитно связанные. Каждая из обмоток 82 и 84 представляет собой пример осуществления одной из цепей 12 и 14, описанных выше. Обмотки 82 и 84 разделены экраном 16, позволяющим, таким образом, обнаруживать перегрев в одной из обмоток или электрическую дугу, возникающую между двумя обмотками 82 и 84.
В представленном примере, обе обмотки 82 и 84 намотаны вокруг магнитного сердечника 86. Обе обмотки 82 и 84 намотаны, например, концентрически вокруг магнитного сердечника 86. Экран 16 окружает обмотку 84 и расположен внутри обмотки 82. В этой концентрической конфигурации обоих обмоток 82 и 84, экран 16 расположен параллельно главному направлению 88 магнитного поля, связывающего обе обмотки 82 и 84. Таким образом, даже если экран 16 образует токовую петлю, то он никак, или очень слабо, пересекается магнитным полем трансформатора 80.