ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройству измерения высокого напряжения (номинальное значение 25кВ), и может быть использована в цепях измерения напряжения на токоприемнике электровозов.
На электровозах переменного тока ЧС4, ЧС4Т, ВЛ80С, ЭП1, 2ЭС5К, Э5К и др. напряжение на токоприемнике определяется, с учетом коэффициента трансформации, по измеренному напряжению на вторичной обмотке силового трансформатора, питающей вспомогательные цепи электровоза. Это напряжение подается на локомотивный прибор учета потребления электроэнергии из контактной сети. Форма напряжения, ее значение на вторичной обмотке пропорционально соответствует напряжению на первичной обмотке только в режиме холостого хода силового трансформатора, то есть без нагрузки. Из-за наличия активных и индуктивных сопротивлений в обмотках трансформатора, с увеличением нагрузки, имеющей нелинейный и реактивный характер, изменяется величина пропорциональности передачи, увеличиваются отличия форм напряжения и угол отставания между первичным и вторичным напряжениями. При вычислении активной мощности в счетчиках учета электроэнергии по произведению тока на напряжение все эти отклонения вносят существенную погрешность 5-12% в учет электроэнергии.
На электровозах с фазовым регулированием напряжения на двигателях посредством тиристорных преобразователей форма напряжения, ее величина искажаются и изменяются еще больше из-за коммутационных процессов в преобразователе. Система управления преобразователем электровоза осуществляет синхронизацию фазового регулирования напряжения на тяговых двигателях с частотой сети также по напряжению с вторичной обмотки силового трансформатора. Для точной синхронизации управления по искаженному напряжению требуется применять дополнительные аппаратные и программные средства, что полностью не решает проблемы обеспечения оптимального управления.
Заявленное устройство по функциональному назначению является аналогом высоковольтного заземляемого трансформатора напряжения ЗНОЛ-35, представленного, например, в патентах РФ на изобретение №№2087967, 2087968, 2087970, 2107350, 2110862, 2193252. Недостатками этих трансформаторов являются: большие габариты и масса (70-90 кг), низкая надежность, наличие фазового сдвига (более - 0.5 град.) между напряжениями первичной и вторичной обмоток, достаточного для внесения ощутимой погрешности при вычислении мощности и расхода электроэнергии. Применение измерительных трансформаторов указанного типа на электровозах приводит к выходу их из строя и дальнейшему демонтажу.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является высоковольтный датчик переменного напряжения для электровозов переменного тока (входящий в состав измерителя расхода электроэнергии переменного тока) - патент RU 69259 U1, 10.12.2007 г., G01R 11/00, B60L 3/00), включающий делитель напряжения, содержащий плечи низкого и высокого напряжения, выполненные в виде последовательно включенных резисторов, причем плечо высокого напряжения соединено с первичной обмоткой силового трансформатора, а плечо низкого напряжения - с земляной шиной (корпусом электровоза).
Недостатком данного устройства является то, что высоковольтный делитель напряжения может быть подключен только к одному типу счетчиков учета электроэнергии, специально изготовленного для работы с этим делителем. Входное сопротивление и напряжение такого счетчика должны быть согласованы с выходным сопротивлением и напряжением высоковольтного делителя для обеспечения оптимальных метрологических характеристик. Также в этом устройстве нет гальванической развязки между делителем и счетчиком учета электроэнергии, что не позволяет подключать его к счетчикам других типов, устанавливаемых на электровозах переменного тока. Все это приводит к снижению точности и качества измерения высокого напряжения, а, соответственно, и потребляемой электровозом электроэнергии.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности и качества измерения высокого напряжения, а, следовательно, и потребляемой электровозом электроэнергии.
Указанный технический результат достигается тем, что высоковольтный датчик переменного напряжения для электровозов переменного тока, включающий делитель напряжения, содержащий плечи низкого и высокого напряжения, выполненные в виде последовательно включенных резисторов, причем плечо высокого напряжения соединено с первичной обмоткой силового трансформатора, а плечо низкого напряжения - с земляной шиной, дополнительно содержит блок усиления мощности, один вход которого соединен со средней точкой между плечами низкого и высокого напряжения делителя, другой вход - с цепями питания электровоза, причем резисторы выполнены с низкой индуктивностью, а блок усиления мощности имеет схему трансформаторной развязки, обеспечивающей передачу усиленного сигнала без искажений и фазового сдвига, при этом выход блока усилителя мощности соединен с приемным устройством или системой управления электровозом.
Резисторы, закрепленные на изоляционном стержне, помещены в герметичном высоковольтном изоляторе, заполненном диэлектрическим маслом. Блок усиления мощности помещен в отдельный металлический корпус, размещающийся на близком расстоянии с земляной частью изолятора.
Приемное устройство может представлять собой счетчик электроэнергии.
Включение в устройство блока усиления мощности, один вход которого соединен со средней точкой между плечами низкого и высокого напряжения делителя, другой вход - с цепями питания электровоза, соединение выхода согласующего блока с приемным устройством или системой управления электровозом, а также наличие оригинальной электрической схемы усиления мощности с гальванической трансформаторной развязкой входного и выходного контуров обеспечивают измерение напряжения с погрешностью не более 0,5% и позволяет подключать устройство к счетчикам электрической энергии электровозов переменного тока серийного типа. Блок усиления мощности обеспечивает передачу с высокой точностью измеряемого сигнала напряжения с делителя напряжения на выход с усилением мощности и обеспечивает гальваническую развязку при помощи трансформатора, имеющего напряжение изоляции выше 4 кВ между обмотками. Также первичная цепь измерения имеет элементы защиты от превышения напряжений и защитные экраны, исключающие пробой напряжения во вторичную цепь.
Заявленный высоковольтный датчик напряжения позволяет повысить точность измерения напряжения на токоприемнике в несколько раз по сравнению с косвенным измерением напряжения на токоприемнике электровоза на низкой стороне силового трансформатора.
Блок усиления мощности имеет схему трансформаторной развязки, обеспечивающей передачу усиленного сигнала без искажений и фазового сдвига. Блок усиления мощности представляет собой электрическую схему, содержащую усилительный блок на основе прецизионных элементов и усилителей, трехобмоточный разделительный трансформатор, одна обмотка которого включена в обратную связь усилительного каскада и преобразователь напряжения с гальванической развязки для питания усилительного каскада. Такая схема с трансформаторной обратной связью обеспечивает высокоточную передачу напряжения на выходную обмотку в определенном диапазоне нагрузки на ней.
Защита обслуживающего персонала от поражения электрическим током обеспечивается непосредственным заземлением нулевого потенциала делителя напряжения с корпусом электровоза, наличием нелинейного элемента защиты от перенапряжений на входе блока усилителя мощности и гальванической развязкой блока усиления мощности с помощью трансформатора напряжения.
Исполнение делителя напряжения на базе высоковольтных, высокостабильных и высокоточных резисторов с низкой индуктивностью (безиндуктивными), помещенных внутри полимерного герметичного высоковольтного изолятора на 35 кВ, заполненного внутри диэлектрическим силиконовым маслом (оптимальный вариант исполнения делителя напряжения), позволяет обеспечить высокие изоляционные свойства. Масляная среда повышает изоляционные качества делителя напряжения и способствует охлаждению резисторов.
Сущность предлагаемого технического решения разъясняется чертежом, на котором показана схема заявляемого устройства.
Высоковольтный датчик переменного напряжения для электровозов переменного тока включает делитель напряжения 1, высоковольтное плечо 2 которого по напряжению (плечо высокого напряжения) соединено с первичной обмоткой силового трансформатора 3, а низковольтное плечо 4 делителя напряжения 1 (плечо низкого напряжения) соединено с земляной шиной 5 (корпусом электровоза). Делитель напряжения 1, содержащий плечи низкого и высокого напряжения, представляет собой последовательно включенные высокостабильные высоковольтные резисторы, соответственно R1, R2, R3 (с низкой индуктивностью). Высоковольтный датчик напряжения также содержит блок усиления мощности 6, один вход которого соединен со средней точкой между высоковольтным и низковольтным плечами 3 и 4 делителя напряжения 1, а другой вход - с низковольтными цепями питания электровоза. Блок усиления мощности 6 обеспечивает передачу усиленного сигнала без искажений и фазового сдвига, и содержит элемент 7 защиты от перенапряжений, включенный на вход усилительного каскада 8, дополнительный трансформатор напряжения 9, имеющий обмотку 10 обратной связи, входную обмотку 11, причем обе обмотки 10 и 11 подключены к усилительному каскаду 8, и выходную обмотку 12, являющейся выходом блока усиления мощности 6. Также блок усиления мощности 6 содержит преобразователь постоянного напряжения 13, обеспечивающий гальваническую развязку между электрическими цепями усилительного каскада 8 и выходной обмоткой 12 трансформатора напряжения 9. Питание блока усилителя мощности 6 осуществляется от бортовой сети электровоза низкого напряжения. Силовой трансформатор 3 связан с контактной сетью через токоприемник 14 и главный выключатель 15. Выходная обмотка 12 трансформатора напряжения 9, являющаяся выходом блока усиления мощности 6, может быть соединена с приемным устройством (измерительным прибором), например, со счетчиком энергии 16, либо посредством измерительных цепей электровоза - с системой управления электровозом (на схеме не показана).
Высоковольтный датчик напряжения для электровозов переменного тока (входящий в состав устройства для измерения и учета распределения электроэнергии) работает следующим образом.
Высокое напряжение 25 кВ (50 Гц) в контактной сети через токоприемник 14 и главный выключатель 15 подается на силовой трансформатор 3 и на высоковольтный делитель напряжения 1. После понижения напряжение с низковольтного плеча 4 делителя напряжения 1 поступает на вход блока усиления мощности 6. В блоке усиления мощности 6 с помощью усилительного каскада 8, обмотки обратной связи 10 трансформатора напряжения 9 происходит усиление по мощности поступающего с делителя 1 сигнала напряжения и передача посредством обмоток 11 и 12 трансформатора 9 усиленного сигнала напряжения на выход блока усиления мощности 6. Усиленный и гальванически развязанный сигнал напряжения с выхода блока 6 поступает на приемное устройство 16, например счетчик энергии или другое измерительное устройство, установленное на электровозе.
Таким образом, использование заявленного устройства позволяет значительно повысить точность измерения напряжения на токоприемнике электровоза, в том числе за счет применения прецизионных резисторов с низкой индуктивностью и оригинальной схемы блока усиления мощности, а также повысить точность измерения высокого напряжения на электровозе при электрическом торможении (для учета расхода электроэнергии из сети на тягу и возвращенной электроэнергии в сеть), используя датчик вместе со счетчиками расхода электроэнергии. Также датчик способен улучшить работу системы управления электровозом переменного тока с фазовым регулированием и с синхронизацией с частотой сети.