УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И КОММУТАЦИИ ЦЕПЕЙ ИРА (ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ РЕЛЕЙНЫЙ АППАРАТ)
DEVICE FOR CONTROL AND SWITCHING OF CIRCUITS IRA (MEASURING RELAY APPARATUS)

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности к способам обеспечения контроля электрического сопротивления между множеством электрических цепей. Эта проблема достаточно актуальна в связи с постоянной необходимостью проводить операции с помощью различных приборов и средств измерения для контроля целостности электрических цепей и разобщения между ними в кабельной продукции с различной электрической схемой внутренних соединений.
Предпосылки создания изобретения.
В настоящее время для контроля состояния разветвленной электрической кабельной сети применяется инструментальный контроль, проводимый с помощью различных приборов и средств измерений. Для определения исправности электрического кабеля или кабельной сети проводят следующие виды электрических измерений:
- проверка цепей на разобщение между собой и (при наличии) с корпусом разъемов или экраном кабеля, или общим контактом кабельной сети;
- проверка целостности электрических цепей кабеля или кабельной сети.
Проведение этих проверок осложняется большим количеством цепей в кабеле или кабельной сети, сложной топологией цепей (сложной электрической схемой внутренних соединений), расположением возможных мест для осуществления кабеля или кабельной сети.
Известные приборы и средства измерения, используемые для определения исправности электрического кабеля или кабельной сети, возможно охарактеризовать по нескольким основным тактико-техническим свойствам:
- количество одновременно проверяемых цепей;
- способ коммутации цепей (ручной или автоматический с помощью реле, полупроводниковых ЭРИ, пакетных переключателей и т.п.);
- возможность осуществлять коммутацию цепей с заданной программой или алгоритмом;
- возможность проводить самостоятельный анализ исправности электрического кабеля или кабельной сети;
- автономность работы или зависимость от внешнего электропитания;
- мобильность устройства;
- климатические условия работы устройства.
Известное устройство комплект 11H172 (разработчик и производитель ГНПП "Объединение Коммунар", Украина, г. Харьков). Комплект 11Н172 обеспечивает проверку целостности и сопротивления изоляции кабелей, а также осуществляет автоматический поиск неисправности в кабеле с точностью до конкретного номера неисправной цепи и при необходимости позволяет производить измерение активных сопротивлений. Комплект 1Н172 был разработан и доработан в 90-х годах и обладает рядом недостатков:
- комплект одновременно проверяет одну электрическую цепь;
- автоматическая коммутация цепей с помощью пакетных переключателей под управлением шаговых двигателей. Это обеспечивает надежную гальваническую развязку, но низкую скорость приведения в необходимое состояние коммутации;
- нет возможности осуществлять коммутацию цепей с заданной программой или алгоритмом;
- возможность самостоятельного анализа исправности электрического кабеля или кабельной сети в зависимости от подключенных проверочных заглушек или кабелей;
- работа только от электрической сети переменного тока с напряжением 36 В и частотой 50 Гц;
- средняя мобильность устройства (вес и размер устройства, позволяющие перенос его одним человеком, но в пределах возможности подключения устройства к электрической сети).
Другое известное устройство прибор контроля цепей С-13262 (разработчик и производитель АО «Научно-производственное объединение автоматики имени Н.А. Семихатова», РФ, г. Екатеринбург). Прибор С-13262 предназначен для автоматического контроля целостности цепей и сопротивления изоляции разобщенных цепей. Выбор контролируемых цепей осуществляется по команде ПЭВМ верхнего уровня. Прибор С-13262 разработан с использованием современных цифровых технологий, но обладает рядом недостатков:
- прибор одновременно проверяет одну электрическую цепь;
- автоматическая коммутация цепей с помощью полупроводниковых ЭРИ, что не обеспечивает надежную гальваническую развязку;
- возможность осуществлять коммутацию цепей только под управлением ПЭВМ;
- нет возможности проводить самостоятельный анализ исправности электрического кабеля или кабельной сети;
- работа только от электрической сети через сетевой адаптер;
- низкая мобильность устройства, так как для его работы требуется дополнительное оборудование;
- щадящие климатические условия работы устройства, не позволяющие проводить работы с прибором вне помещений, защищенных от воздействия внешней среды.
Задачей изобретения является разработка устройства для контроля и коммутации электрических цепей, которое будет обладать следующими тактико-техническими характеристиками:
- проведение с помощью одного измерителя одновременного измерения нескольких измеряемых электрических цепей за счет заданной их коммутации;
- автоматическая коммутация электрических цепей с помощью поляризованных реле, что обеспечит надежную гальваническую развязку цепей и сохранение заданной схемы коммутации цепей внутри устройства в отсутствии электрического питания;
- возможность осуществлять работу как с внешним управлением, так и самостоятельную коммутацию цепей с заданной программой;
- возможность проводить самостоятельный анализ исправности электрического кабеля или кабельной сети;
- возможность управления и обмена данных с устройством по средствам электрического или беспроводного соединения с использованием компьютера или мобильного устройства;
- возможность работы от внешнего электропитания или автономной работы от батареи;
- мобильность устройства (вес и размер устройства, позволяющие перенос его одним человеком);
- работа устройства в суровых климатические условиях (в больших диапазонах температур и влажности окружающей среды, запыленности или в агрессивной среде);
- пожаро-взрывобезопасное исполнение.
Устройство контроля и коммутации цепей «ИРА» (измерительный релейный аппарат), далее УККЦ, представляет собой герметичный корпус с внутренней термоизоляцией, в котором предусмотрены следующие внешние электрические связи:
- разъем для подключения внешнего электропитания от электрической сети или автономного источника электроэнергии;
- разъем для подключения УККЦ к проверяемым электрическим цепям;
- разъем для подключения УККЦ к компьютеру или мобильному устройству.
Герметичный корпус УККЦ имеет возможность его быстрого раскрытия для доступа к внутреннему оборудованию. На корпусе УККЦ находится герметичная панель индикации и управления. Общая принципиальная схема прибора представлена на фиг. 1.
На фиг. 1 БКУ - блок контроля управления, МБПДУ - модуль беспроводной передачи данных и управления, ДШК - дешифратор-коммутатор, ДШИ - дешифратор-измеритель, БР1…БР5 - блоки реле, БИУ - блок индикации и управления, СТР - блок системы терморегулирования, БСН - блок стабилизации напряжения, АКБ - аккумуляторная батарея (автономный источник питания), Разъем СШР - штепсельный разъем для подключения проверяемого кабеля.
На фиг. 1 обозначены силовые и информационные шины:
- П - Шина питания, которая питает все блоки напряжением 5 В (для управления блоками) и 12 В (для коммутации);
- С - Системная шина для включения и выключения УККЦ, индикации состояния и работы, запуска и остановки режима;
- Дw и Дu - Шина данных для загрузки скетчей, считывания результатов и удаленного управление УККЦ;
- К - Шина коммутации для непосредственного управления режимами работы и коммутации цепей;
- В - Шина выбора коммутируемых цепей;
- И - Шина измерителя для управление измерением;
- I, II и R - шина первого измерительного контакта (I), шина второго измерительного контакта (II) и шина самопроверочного сопротивления (R).
В БКУ находится процессорный модуль с внутренней памятью для хранения программ и данных. Модуль имеет необходимую электронную оснастку, цифровые и аналоговые входы/выходы для работы с другими блоками УККЦ, а также для связи с внешним устройством управления через МБПДУ или USB. Также в БКУ имеется АЦП для измерения напряжения из ДШИ. ДШК предназначен для управления работой БР. В БР происходит непосредственная коммутация проверяемых цепей к шинам первого или второго измерительного контакта, а также шине R. Каждый БР коммутирует работает с 10 проверяемыми цепями. Для примера, на фиг. 1 и 2 УККЦ имеет пять БР, но количество их может быть другим, при этом основные принципы работы УККЦ остаются не измены. ДШИ предназначен для коммутации шин I, II, R и/или корпусного контакта УККЦ между собой с целью подключения их через внутренний измерительный мост сопротивления к АЦП в БКУ. БИУ предназначен для включения/выключения УККЦ, для выдачи в БКУ ручных команд и отображения с помощью индикаторов информации о УККЦ. СТР предназначена для приведения и поддержания внутренней атмосферы в УККЦ в необходимом состоянии для работоспособности всех элементов УККЦ. Для примера, на фиг. 1 УККЦ имеет пять БР, но количество их может быть другим, при этом основные принципы работы УККЦ остаются не измены.
Прибор может работать как от внешнего источника постоянного тока с напряжением 24 В, так и от АКБ. После включения прибора СТР приводит внутреннюю атмосферу в УККЦ к заданным параметрам. При достижении необходимой температуры внутри прибора БКУ через БИУ выдает сигнал о готовности УККЦ. Через БИУ выбирается режим работы УККЦ: самопроверка, работа по записанной программе, работа с внешним управлением, соединение с внешним устройством управления и т.п. В процессе проверки подключенного кабеля БКУ в соответствии с заданной программой или по команде внешнего устройства управления передает пятнадцатизначный параллельный двоичный код по шине К в ДШК. ДШК преобразует этот код в команды для БР1…БР5. В БР происходит подключение заданных проверяемых цепей к шинам I или II, при этом каждый из БР коммутирует свою часть проверяемым цепей, то есть БР1 коммутирует цепи с 1 по 10, БР2 - цепи с 11 по 20 и т.д. после завершения коммутаций БКУ дает команды на подключение шин I, II и/или корпусного контакта с заданной программой к внутреннему измерительному мосту сопротивления в ДШИ, затем реле в ДШИ подключают выход этого моста к АЦП БКУ. Таким образом, код из АЦП соответствует измеренному активному сопротивлению между искомыми цепями. БКУ выключает ДШИ и производит программную обработку и запись во внутреннюю память полученных данных. В соответствии с заданной программой проверки, БКУ может провести перекоммутацию ДШИ (например, сначала измерить сопротивление цепей, при подключении к мосту в одной полярность, а затем в обратной полярности, для учета влияния реактивной составляющей сопротивления в цепях проверяемого кабеля) или перекоммутацию ДШК. По окончании проверки БКУ через БИУ сигнализирует о положительном или отрицательном ее прохождении, все данные проверки хранятся во внутренней памяти БКУ и могут быть переданы на внешнее устройство управления.
На фиг. 2 изображена общая принципиальная схема ДШК. Из БКУ в ДШК по шине К приходит пятнадцатизначный параллельный код, часть которого (биты: С, 0, 1, 2) через двоичный дешифратор DC определяет команды управления для БР, а также бит 3 определяет выбор шины первого или второго измерительного контакта (ПI или ПII. Биты 4…13 предназначены для команд выбора проверяемых цепей в БР (У0…У9). В ДШК применяются одностабильные двухпозиционные реле. С помощью DC выбирается режим работы БР коммутированием рабочего напряжения 12 В в команды: Раб - рабочий режим работы или Пров - самопроверочный режим; Сброс - сброс всех БР в исходное положение; УП1…УП5 - команда на выбора коммутируемого БР1…БР5 соответственно. Далее по шине В команды управления поступают на все БР.
На фиг. 3 изображена общая принципиальная схема БР. К0…К9 - проверяемые цепи. Они подключены к ДП - двухпозиционному, двустабильному дистанционному переключателю с несколькими переключающими контактами, с помощью которого выбирается режим работы блока БР (рабочий или самопроверочный). Далее скоммутируемые через ДП в СК0…СК9 проверяемые цепи через реле В0…В9, которые являются двухпозиционными, двустабильными реле с двумя переключающими контактами, по командам выбора соответствующих цепей У0…У9 перекоммутируются в цепи ВК0…ВК9. Реле РП - двухпозиционное, двустабильное реле с двумя переключающими контактами, является реле выбора БР, то есть если на РП приходит команда УП, то команды выбора У0…У9 будут исполняться реле В0…9. Кроме того, реле ВО…В9 могут быть сброшены в исходное состояние по команде СБРОС. Реле РО…Р9 - двухпозиционное, двустабильное реле с двумя переключающими контактами, отвечающие за подключение соответствующих цепей ВК0…ВК9 к шине первого или второго измерительного контакта (команды ПI или ПII).
Таким образом, по командам ДШК электрические цепи проверяемого подключенного кабеля могут быть скоммутированы в различных комбинациях в составе 3-х групп:
- Электрические цепи, объединенные и подключенные к шине первого измерительного контакта (I);
- Электрические цепи, объединенные и подключенные к шине второго измерительного контакта (II);
- Электрические цепи, разъединенные и не подключенные ни к какой шине.
Под управлением БКУ как через записанную программу, так и через внешнее управление УККЦ, возможно множество вариантов «наполнения» этих групп контактов, что даст несравнимые преимущества перед другими приборами, использующими для коммутации и проверки только одну электрическую цепь. Применение в БР в качестве коммутационных двухпозиционных, двустабильных реле с двумя переключающими контактами позволит не только осуществить надежную гальваническую развязку цепей, но и в промежутках между коммутациями не затрачивать электропитание на поддержание скоммутированной схемы в необходимом состоянии, что также позволит использовать УККЦ в выключенном состоянии в качестве устройства коммутации цепей. Кроме того, в БР предусмотрен режим самопроверки через подключение рабочих цепей БР к самопроверочному сопротивлению (R), что повышает его надежность.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. ШЮГИ.468214.003ТО. Прибор контроля цепей С-13262. Техническое описание.
2. ИЭ2.703.897ТО. Комплект 11Н172. Техническое описание.
3. Шишмарев В.Ю. Автоматика: учебник для СПО. Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2017. - 284 с.