Способ обеспечения электробезопасности пассажиров электротранспорта с незаземленным корпусом и устройство для его реализации
Изобретение относится к области защиты людей от поражения электрическим током и может быть использовано для непрерывного обеспечения электробезопасности пассажиров и обслуживающего персонала при прикосновении к незаземленному корпусу электротранспортного средства, в частности троллейбуса. Технической задачей предлагаемых способа и устройства является создание быстродействующей системы обеспечения электробезопасности пассажиров электротранспорта в системах питания от двухпроводной сети постоянного тока во всех условиях эксплуатации, независимо от типа питающей сети (изолированная сеть или сеть с одним заземленным полюсом) путем обеспечения равенства нулю потенциала корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия, на котором находится пассажир в момент прикосновения к корпусу. Поставленная задача решается тем, что между отрицательным вводом питания и корпусом формируют регулируемое компенсирующее напряжение, полярность которого определяется полярностью контрольного сигнала. В качестве контрольного сигнала используют сигнал о потенциале корпуса относительно поверхности дорожного покрытия. Величину компенсирующего напряжения устанавливают такой величины, чтобы потенциал корпуса относительно поверхности дорожного покрытия равнялся нулю. Задача реализуется устройством, вырабатывающим регулируемое разнополярное компенсирующее напряжение в зависимости от полярности и наличия контрольного сигнала, в состав которого дополнительно введены два генератора видеоимпульсов, интегрирующее устройство, узел управляемых ключей; регулируемый источник компенсирующего напряжения содержит импульсный трансформатор, накопительный конденсатор, ограничительный резистор, два управляемых ключа. В качестве датчика контрольного сигнала используется изолированный от корпуса проводник, обеспечивающий контакт с поверхностью дорожного покрытия. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области защиты людей от поражения электрическим током и может быть использовано для непрерывного обеспечения электробезопасности пассажиров и обслуживающего персонала при прикосновении к незаземленному корпусу транспортного средства, в частности троллейбуса, в системах питания от двухпроводной сети постоянного тока.
Известные способы обеспечения электробезопасности, основанные на заземлении корпуса через скользящий контакт, на обработке информации о величине сопротивления изоляции или тока утечки, ненадежны, не обеспечивают необходимой точности, не универсальны с точки зрения возможности применения как в системах питания с изолированными полюсами, так и с заземленным отрицательным полюсом; не учитывают изменения сопротивления току утечки при прикосновении человека к корпусу [Томлянович Д.К., Чубуков В.И. Защита устройств электроснабжения троллейбусов", Транспорт, М., 1980]. Устройство, реализующее способ непосредственного измерения тока утечки [авт. свид. N 1507605 B 60 L 3/00, 1989] не обеспечивает непрерывности контроля. Устройства, реализующие известные способы и обеспечивающие непрерывность контроля, строятся на принципах косвенного измерения токов утечки или на измерении потенциала корпуса попеременной составляющей напряжения питающей сети, или на косвенном контроле тока утечки путем компенсации потенциала корпуса относительно отрицательного ввода питания. Устройства содержат датчики информации (трансформаторы, резисторы), схемы логической обработки информации, пороговые устройства, схемы сигнализации, источник регулируемого компенсирующего напряжения с соответствующими соединениями между ними [Авт. свид. N 1066852, кл. B 60 L 3/02 1984; авт.свид. 1396193, кл. H 02 H 3/16, 1988; авт. свид. N 1555691, кл. G 01 R 31/02, 1990]. Устройствам присущи те же недостатки, относящиеся к вышеописанным способам. Наиболее близким к заявляемому изобретению аналогом (прототипом) способа и устройства по реализации способа является способ, реализованный в сигнализаторе, предложенном Грубером Б.И., Коровиным В.А. [Авт.свид. N 2099207, кл. B 60 L 3/02, 1997] . Способ заключается в том, что по информации, получаемой с измерителя-ограничителя тока, регулируется величина компенсирующего напряжения между корпусом и отрицательным вводом питания при заземленном полюсе, которая (величина) контролируется логическим узлом контроля, управляющим схемой сигнализации. Устройство по реализации способа содержит управляемый источник компенсирующего напряжения, логический узел контроля, блок сигнализации. Управляемый источник компенсирующего напряжения включает в себя регулирующий орган, генератор импульсов, разделительный конденсатор, выпрямитель, измерительно-усилительный узел, измеритель-ограничитель тока, формирующие контрольный сигнал и позволяющие осуществить управление, и сглаживающий фильтр с соответствующими связями между ними. В сигнализаторе создаваемое компенсирующее напряжение отрицательной полярности приближенно равно потенциалу отрицательного ввода питания. Величина компенсирующего напряжения в определенной мере зависит от тока утечки. Недостатками рассматриваемого способа и сигнализатора является то, что однополярность компенсирующего напряжения не позволяет использовать сигнализатор в двухпроводных сетях с изолированными полюсами; потенциал корпуса не контролируется, лишь предполагается близость его к нулевому значению, так как не учитывается изменение потенциала отрицательного ввода питания при приближении соседнего работающего транспортного средства, что становится особо опасным при сходе токосъемника с положительного полюса; не учитываются изменения тока утечки и потенциала корпуса при прикосновении человека к корпусу, то есть не обеспечивается электробезопасность человека при прикосновении его к корпусу транспортного средства и поверхности дорожного покрытия. Решаемой задачей предлагаемых способа и устройства является создание быстродействующей системы обеспечения электробезопасности пассажиров электротранспорта в системах питания от двухпроводной сети постоянного тока во всех условиях эксплуатации, независимо от типа питающей сети: изолированная сеть или сеть с одним заземленным полюсом. Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения является обеспечение равенства нулю (с погрешностью средств обеспечения) потенциала корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия, на котором находится пассажир в момент прикосновения к корпусу, независимо от причин, вызывающих появление потенциала на корпусе, и независимо от типа питающей сети. Поставленная задача решается тем, что в способе, заключающемся в формировании между отрицательным вводом питания и корпусом компенсирующего напряжения, регулируемого в соответствии с управляющим сигналом, в качестве управляющего сигнала используют контрольный сигнал о потенциале корпуса относительно поверхности дорожного покрытия, а компенсирующее напряжение формируют разнополярным, в зависимости от полярности контрольного сигнала, и устанавливают такой величины, чтобы потенциал корпуса относительно поверхности дорожного покрытия равнялся нулю. Поставленная задача решается также тем, что в устройство, содержащее регулируемый источник компенсирующего напряжения, выход которого подключен между отрицательным вводом питания и корпусом, схему сигнализации, датчик контрольного сигнала, схему управления, согласно изобретению дополнительно введены два генератора видеоимпульсов, интегрирующее устройство, узел убавляемых ключей, при этом выход датчика контрольного сигнала через интегрирующее устройство соединен со входом сигнализации и со входом схемы управления, один выход которой соединен со входом одного из генераторов видеоимпульсов, второй выход схемы управления соединен со входом другого генератора видеоимпульсов, выходы генераторов видеоимпульсов соединены соответственно с двумя входами узла убавляемых ключей и двумя управляющими входами источника регулируемого компенсирующего напряжения, а два выхода узла управляемых ключей соединены с двумя входами регулируемого источника компенсирующего напряжения. Задача решается также тем, что в качестве датчика контрольного сигнала используют изолированный от корпуса проводник, обеспечивающий контакт с поверхностью дорожного покрытия. Задача решается также тем, что регулируемый источник компенсирующего напряжения содержит импульсный трансформатор, накопительный конденсатор, ограничительный резистор, два управляемых ключа, при этом первый и второй выводы первичной обмотки импульсного трансформатора являются входами регулируемого источника компенсирующего напряжения, один вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с накопительным конденсатором и через ограничительный резистор с корпусом, второй вывод вторичной обмотки через два управляемых ключа, включенных параллельно и встречно, соединен с другим выводом накопительного конденсатора и отрицательным вводом питания. Потенциал корпуса транспортного средства относительно земли (фиг. 1) определяется выражением![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/34/340795.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/34/340796.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/34/340797.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/34/340798.gif)
Сопротивлением проводов линии rл в этом случае можно пренебречь ввиду его малости. В системах питания с заземленным отрицательным полюсом R30=0 полярность тока утечки и потенциала корпуса всегда положительна. Сигнал Uк учитывает все возможные ситуации в эксплуатации транспортного средства: изменение сопротивлений изоляции транспортного средства и линий, обрыв (сход) токосъемника с положительного полоса питания; влияние других приближающихся транспортных средств (R'дв), выражающееся в изменении потенциала отрицательного ввода питания за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении rл проводов питающей линии, изменение величины эквивалентного сопротивления Rэ при прикосновении человека к корпусу транспортного средства и т.д. Вид информации и применение интегрирующего устройства на выходе датчика контрольного сигнала позволяет снизить требования к качеству его контакта с поверхностью дорожного покрытия по сравнению с требованиями при заземлении корпуса транспортного средства для обеспечения электробезопасности. На фиг. 1 показана структурно-функциональная схема транспортного средства и питающей линии с отображением элементов, влияющих на электробезопасность пассажира,
где Eс - напряжение на выходных клеммах тяговой подстанции, питающей линию;
E - напряжение на вводах питания транспортного средства;
Rдв - сопротивление тягового двигателя транспортного средства;
R'дв - сопротивление тягового двигателя соседнего приближающегося транспортного средства;
К - ключ (замыкание ключа иммитирует прикосновение пассажира к корпусу транспортного средства). На фиг. 2 показана эквивалентная мостовая схема,
где Kс - корпус транспортного средства. На фиг. 3 представлена структурно-функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ,
где E0 - напряжение на выходе внешнего источника питания (аккумулятора, вспомогательного генератора);
Uк - потенциал корпуса транспортного средства относительно поверхности дорожного покрытия;
Uкомп. - компенсирующее напряжение. На фиг. 4 показан алгоритм работы схемы управления. На фиг. 5 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства
где эпюра N 1 - эпюра изменения потенциала корпуса при отсутствии заявляемого устройства: a - на входе интегрирующего устройства 2, b - на выходе интегрирующего устройства;
эпюра N 2 - эпюра выходных импульсов генератора видеоимпульсов 4/1;
эпюра N 3 - эпюра выходных импульсов генератора видеоимпульсов 4/2;
эпюра N 4 - эпюра компенсирующего напряжения Uкомп на накопительном конденсаторе 11;
эпюра N 5 - эпюра изменения потенциала корпуса Uк на выходе интегрирующего устройства 2 (при наличии заявляемого устройства). Устройство для реализации способа (фиг. 8) содержит: изолированный от корпуса датчик контрольного сигнала - проводник 1, обеспечивающий контакт с поверхностью дорожного покрытия, интегрирующее устройство 2, схему управления 3, два генератора видеоимпульсов 4/1 и 4/2, регулируемый источник компенсирующего натяжения напряжения 5, узел управляемых ключей 6, схему сигнализации 7. Причем датчик 1 соединен со входом интегрирующего устройства 2, выход которого соединен со входом схемы управления 3 и пороговым устройством 8/1 схемы сигнализации 7. Два выхода схемы управления 3 соединены со входом генераторов видеоимпульсов 4/1 и 4/2; выход генератора 4/1 соединен с управляемыми ключами 9/1, 9/2 узла 6 и управляемым ключом 9/3 регулируемого источника компенсирующего напряжения 5. Один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора 10, входящего в состав регулируемого источника компенсирующего напряжения, соединен с катодом управляемого ключа 9/1 и анодом управляемого ключа 9/5, второй вывод первичной обмотки соединен с катодом управляемого ключа 9/4 и анодом управляемого ключа 9/2 узла 6. Один выход вторичной обмотки импульсного трансформатора 10 соединен с накопительным конденсатором 11 и через ограничительный резистор 12 с корпусом транспортного средства; второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора 10 соединен с анодом управляемого ключа 9/6 и катодом управляемого ключа 9/3 регулируемого источника компенсирующего напряжения 5; катод управляемого ключа 9/6 и анод управляемого ключа 9/3 соединен с другим выводом накопительного конденсатора 11 и отрицательным вводом питания. Аноды ключей 9/1, 9/4 соединены с положительным полюсом внешнего источника питания E0, катоды ключей 9/2, 9/5 соединены с отрицательным полюсом источника E0 через датчик среднего тока 13. Датчик среднего тока 13 соединен с пороговым устройством 8/2 схемы сигнализации 7, а выводы пороговых устройств 8/2 и 8/1 соответственно со световым и звуковым устройствами узла индикации 14. Интегрирующие устройства, генераторы видеоимпульсов, пороговые устройства общеизвестны и широко применяются в радиотехнике [например, А.Г.Алексеенко, Е.А,Koлoмбeт, Г.И.Стародуб "Применение прецизионных аналоговых ИС" М. , Сов.радио, 1980, стр. 77-72, 138-141, 167-173]. В качестве управляемых ключей могут быть использованы транзисторы, приемно-усилительные или модуляторные лампы. Схемы сигнализации со световыми и звуковыми индикаторами применяются в аналогичных устройствах [например, авт.свид. N 2099207, кл. B 60 L 3/02, 1997], в охранных устройствах. Алгоритм работы схемы управления приведен на фиг. 4. В качестве датчика среднего тока 13 используется параллельная RC-цепь. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, при потенциале корпуса относительно дорожного покрытия Uк равном нулю, на выходах генераторов импульсов 4/1, 4/2 отсутствуют сигналы, управляемые ключи 9/1 .. . 9/6 закрыты, накопительный конденсатор 11 не заряжен, компенсирующее напряжение Uкомп=0. (В общем случае на накопительном конденсаторе может быть некоторый заряд (Uкомп
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8800.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
Если в исходном состоянии возмущающие условия вызывают появление потенциала на корпусе отрицательной полярности Uк < минус
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/34/340799.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/34/340800.gif)
где Ec - напряжение на клеммах питающей подстанции;
Rорг - величина сопротивления ограничительного резистора 12 (фиг. 3). Модуль амплитуды напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора 10 в режиме холостого хода должен превышать величину модуля компенсирующего напряжения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/34/340801.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/34/340802.gif)
где C - величина емкости накопительного конденсатора 11 (фиг. 3);
F - частота следования видеоимпульсов генераторов 4/1, 4/2;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
I2 - ток во вторичной обмотке импульсного трансформатора 10 при открытых ключах 9/1, 9/2, 9/3 или 9/4, 9/5, 9/6. Максимальную частоту следования видеоимпульсов F генераторов 4/1, 4/2 устанавливают на уровне нескольких килогерц, что позволяет сократить время установления необходимой величины компенсирующего напряжения и скомпенсировать постоянную и переменную составляющие напряжения питающей сети.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5