УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ПОДАВАЕМОЙ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНУЮ СИЛОВУЮ ТЯГОВУЮ УСТАНОВКУ
DEVICE FOR MEASURING ELECTRICAL ENERGY SUPPLIED TO RAILROAD POWER TRACTION PLANT

Настоящее изобретение относится к устройству измерения электрической энергии, подаваемой под высоким напряжением на локомотив и в целом на силовую установку железнодорожного транспортного средства.
Электрическую энергию, подаваемую через цепную контактную линию на локомотив, необходимо измерять для выставления поставщиком энергии соответствующих счетов потребителю. Эта потребность возникла относительно недавно в результате принятия правил, предоставляющих свободу действий многим операторам, поставляющим электроэнергию в сеть, и многим операторам, потребляющим эту энергию из сети.
Осуществление этого измерения основано на чрезвычайно простом принципе: необходимо измерять силу потребляемого тока, его напряжение и время потребления либо непрерывно, либо выборочно по определенной значимой частоте для учета изменений этих двух параметров во времени.
На практике все оказывается гораздо сложнее, поскольку измерительные приборы находятся в среде высокого напряжения (от 1500 вольт для постоянного тока и до 25000 вольт для переменного тока в зависимости от проходимых участков сети), что касается определения переменной величины, и в среде низкого напряжения, что касается формирования и обработки сигнала. Поэтому изоляция между двумя средами, называемая также гальванической изоляцией, требует особой тщательности.
Известные средства, предназначенные для обеспечения этой гальванической изоляции, как правило, применяются на уровне трансформаторов, содержащихся в измерительных приборах, при этом необходимая изоляция требует применения между первичной обмоткой и вторичной обмоткой такого трансформатора диэлектрических материалов высокого качества и, прежде всего в объеме, достаточном для максимального удаления друг от друга токопроводящих деталей.
Эту массу и этот объем предусматривают на уровне крыши локомотива. Они добавляются к совокупности компонентов оборудования крыши этого локомотива, что в лучшем случае влечет за собой увеличение максимального поперечного сечения этого оборудования и, следовательно, увеличение лобового сопротивления, нежелательного для высокоскоростных поездов, но чаще всего такое добавление является просто невозможным из-за нехватки места в этом наиболее загроможденном пространстве.
Настоящим изобретением предлагается решение этой проблемы нехватки места, которое, не приводя к снижению требований изоляции, позволяет осуществить достаточную миниатюризацию применяемых датчиков и приборов, чтобы обеспечить их установку без помех среди оборудования крыши железнодорожной силовой тяговой установки.
В этой связи объектом настоящего изобретения является устройство измерения электрической энергии, подаваемой на железнодорожную силовую тяговую установку через линию высокого напряжения, содержащее средства измерения силы тока питания и средства измерения напряжения этого питания, при этом указанные средства измерения содержат источник питания низкого напряжения, необходимый для их работы, в котором энергией питания низкого напряжения является оптическая энергия, преобразуемая в электрическую энергию в среде высокого напряжения. Кроме того, выходные сигналы измерительных средств преобразуются в оптические сигналы для их использования. Таким образом, осуществляют чрезвычайно надежную гальваническую изоляцию между каскадом высокого напряжения измерительных приборов и их каскадом низкого напряжения. Преобразование электрической энергии в оптическую энергию и обратное преобразование осуществляют при помощи известных приборов, имеющих небольшие габариты и, таким образом, позволяющих разместить устройство измерения в небольшом объеме и, в частности, в изоляторе линии высокого напряжения на крыше железнодорожной силовой тяговой установки.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания примера его выполнения.
Это описание дается со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено:
фиг.1 - электрическая схема устройства измерения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - схема установки этого устройства измерения в изоляторе линии высокого напряжения на крыше железнодорожной силовой тяговой установки, потребляющей измеряемую энергию.
На фиг.1 представлена цепная контактная линия 1 и токоприемник 2 локомотива. Линия L высокого напряжения крыши железнодорожной силовой тяговой установки проходит через выключатель 3 и доходит до комплекса средств питания тяговой цепи 4.
На выходе этой линии L, как известно, датчик 5 силы тока, например шунт измерения тока, позволяет выдавать на выходе 6 аналоговый сигнал, преобразуемый в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем 7, выход которого соединен с электрооптическим преобразователем 8, преобразующим цифровой электрический сигнал, поступающий от преобразователя в оптический сигнал, передаваемый по оптическому волокну 9 на оптико-электронный преобразователь 10, содержащий выходы 11, предназначенные для соединения электронной системы использования этого сигнала, поступающего из трансформатора тока и характеризующего силу тока в цепи питания высокого напряжения локомотива.
За счет наличия делителя 12 напряжения при помощи дискриминатора 13 постоянного или переменного напряжения можно получать сигналы, характеризующие это напряжение. Например, сигнал на выходе 14 дискриминатора 13 характеризует значение переменного напряжения в цепной контактной линии 1.
Выход 15 предназначен для сигнала, характеризующего постоянное напряжение в цепной контактной линии 1.
Тот или другой из этих сигналов направляется на вход аналого-цифрового преобразователя 17, выход которого соединен с входом электрооптического преобразователя 18. Генерируемый этим преобразователем оптический сигнал передается по оптическому волокну 19 на вход оптико-электронного преобразователя 10, который в ответ на некоторых из своих выходов 11 выдает электрический сигнал, предназначенный для использования устройством в комбинации с электрическим сигналом, характеризующим значение силы тока питания.
Для работы некоторых из элементов устройства необходимо питание электрической энергией, в частности, для электрооптических преобразователей или для оптико-электронных преобразователей, таких как оптоэлектрический преобразователь 10, электрооптические преобразователи 8 и 18. Что касается оптико-электронного преобразователя 10, то он питается напрямую от батареи, соединенной, в свою очередь, с электрооптическим преобразователем 20 энергии постоянного электрического тока в оптическую энергию в виде лазерного пучка, излучаемого световым источником, таким как диод. Лазерный пучок передается по оптическим волокнам 21а, 21b в направлении оптико-электронных преобразователей 22а, 22b, на выходе которых имеются соответственно линия 24 питания электрооптического преобразователя 18 и линия 23 питания электрооптического преобразователя 8.
На фиг.2 показана установка схемы, показанной на фиг.1, внутри корпуса изолятора 25, при этом из этой фигуры видно, каким образом обеспечивается идеальная гальваническая изоляция в устройстве измерения в соответствии с настоящим изобретением. На этой фигуре показано большинство описанных выше элементов, обозначенных теми же позициями. Элементы, относящиеся к обработке сигнала датчика 5 силы тока, схематично сгруппированы в блок 26, который питается током низкого напряжения через линию 23 и выдает на выходе через оптическое волокно 9 оптический сигнал, характеризующий измеренную силу тока.
Точно так же, средства обработки сигнала напряжения, выходящего из делителя 12, сгруппированы в блок 27, к которому подходит линия 24 питания и от которого отходит оптическое волокно 19. Из этой фигуры понятно, что среда высокого напряжения изолирована в верхнем пространстве 28, выполненном в изоляторе 25, через которое проходит линия L крыши локомотива, тогда как среда низкого напряжения заключена в нижней полости 29 этого изолятора. Соединение между различными элементами устройства в соответствии с настоящим изобретением осуществляется между этими двумя полостями только через оптические волокна.
Устройство измерения в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать в качестве средства опознавания сети (напряжения тока, подаваемого в силовую тяговую установку), которая может быть на 1500 вольт для постоянного тока, на 3500 вольт для постоянного тока (как правило, обрабатываемого так же, как и в предыдущем случае), на 15000 вольт для переменного тока частотой 16 Гц 1/3, на 25000 вольт для переменного тока 50 Гц или 60 Гц, на 12000 вольт для переменного тока 60 Гц и на 12000 вольт для переменного тока 25 Гц, если говорить только об электросетях, встречаемых в основных промышленно развитых странах. Действительно, оптический сигнал на выходе волокна 19 характеризует напряжение измерения, которое само находится в соответствии с напряжением тока сети. Таким образом, каждый из трех выходов 11, предназначенных для напряжения, может при помощи набора реле в оптико-электронном преобразователе 10 обслуживать одно из напряжений, обеспечиваемых сетью. Наличие сигнала на одном из трех выходов 11, предназначенных для напряжения, позволяет опознавать напряжение участка сети, через который проходит железнодорожная силовая тяговая установка.