Спосіб визначення струмів витоку на корпус тролейбуса та бортовий пристрій їх сигналізації

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для определения и сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса в качестве бортового устройства независимо от применяемой системы электропитания троллейбусов. Известно устройство для измерения тока утеки [1], включающее источник питания, коммутатор, блок контроля работоспособности (щуп), блок индикации и блок защиты. Задачей изобретения являлось расширение диапазона измерения тока утечки и повышение надежности устройства путем введения блока защиты, исключающего возможность повреждения устройства при наличии нарушения изоляции контролируемой цепи. Недостатком известного устройства является то, что переключение из режима контроля наличия высокого напряжения в режим измерения тока утечки обеспечивается вручную путем прижатия щупа к контролируемому объекту. При этом не исключен пробой изоляции при нажатом щупе или случайное нажатие щупа оператором в момент наличия высокого напряжения на контролируемом объекте, в результате чего возможен выход устройства из строя, а в отдельных случаях может произойти даже поражение оператора электрическим током. Кроме того, известное техническое устройство на может быть использовано в качестве встроенного в бортовую сеть троллейбуса. Известно также устройство, для измерения тока утечки [2], включающее блок защиты, элемент контроля (щуп) и источник питания. Задачей изобретения являлось повышение надежности устройства при пробое изоляции в объекте контроля и нарушении правил эксплуатации путем автоматического отключения низкоомного входа блока защиты при пробое изоляции и поступлении высокого напряжения или при нарушении правил эксплуатации устройства (нажатии на щуп при наличии высокого напряжения). Работает устройство следующим образом. Вначале, путем прикосновения щупа коммутатора устройства к корпусу троллейбуса, определяют по отсутствию высокого напряжения (сигнальная лампочка при этом не светится), что сопротивление изоляции велико. Затем щуп утапливают, прижимая его к контролируемому объекту, в результате чего контакт коммутатора замыкается и шунтирует часть входной цепи, чем достигается снижение входного сопротивления устройства, что приводит к повышению тока в контролируемой цепи. Недостатком известного устройства является то, что измерение токов утечки производится вручную, для чего необходимо выполнить несколько последовательных действий, что исключает возможность применения известного технического устройства в качестве встроенного в бортовую сеть троллейбуса диагностического прибора. Известно также устройство для измерения токов утечки [3], включающее источник питания, резистивный делитель, реле, измерительное устройство и предназначенное для использования в качестве встроенного в бортовую сеть троллейбуса диагностического устройства для измерения токов утечки в электрооборудовании троллейбусов, которые питаются от незаземленной двухпроводной, силовой сети постоянного тока. Задачей изобретения являлось повышение точности и достоверности измерения токов утечки, одновременно и в отдельно взятом проводе двухпроводной линии постоянного тока путем включения между средней точкой резистивного делителя и корпусом троллейбуса двух параллельных измерительных цепей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных между собой обмотки реле, электроизмерительного устройства, диода, включенного в каждую из параллельных цепей встречно по отношению к корпусу троллейбуса. Недостатком известного технического решения является то, что сам способ измерения токов утечки, используемый в данном техническом решении, приводит к появлению на корпусе троллейбуса по отношению к земле потенциала, что не исключает риска поражения электрическим током пассажира в момент его посадки или высадки из троллейбуса. Кроме этого, оно не может быть использовано для проведения измерений в цепях с заземленной двухпроводной силовой сетью постоянного тока, а также то, что на показания устройства существенно влияет значение напряжения сети, т.е. место нахождения троллейбуса на линии по отношению к тяговой подстанции и ряд других причин таких как, например, сопротивление шин и дорожного покрытия. Известен также стенд для контроля изоляции и токов утечки троллейбусов (СКПТ) [4]. Стенд позволяет измерять токи утечки независимо от применяемых систем электроснабжения. Для этого он оборудован автономным источником питания (постоянного напряжения). Недостатком известного устройства является реальная опасность для жизни из-за возможного пробоя в момент измерения, а также то, что оно не может быть применено в качестве встроенного в бортовую сеть троллейбуса диагностического устройства. Поэтому, если даже в момент контроля с помощью известного устройства, например, перед выездом из депо, и будет установлено удовлетворительное состояние силовых цепей троллейбуса, то это еще не означает, что после этого в процессе его эксплуатации непосредственно на линии не может не появляться на корпусе троллейбуса опасного для жизни человека потенциала. В основу предполагаемого изобретения поставлена задача определения и сигнализации токов утечки путем одновременного определения общего и отдельных значений потенциалов, сопротивлений и токов утечки различных участков цепи электропитания троллейбуса при существующих, а также программно формируемых значениях воздействующих уровней электрических сигналов, что обеспечивает безопасность эксплуатации троллейбусов. Указанная задача решается благодаря тому, что в способе определения токов утечки нд корпус троллейбуса путем одновременного измерения относительно "земли" общего и отдельных значений потенциалов, сопротивлений и токов утечки различных участков цепи электропитания троллейбуса дополнительно формируют значения тестирующих электрических сигналов, моделируют возможные варианты цепей токов утечки и непрерывно контролируют текущие значения напряжения различных участков цепи бортового электропитания, а на основе полученных результатов выдают прогностическую оценку состояния цепей токов утечки и в случае отклонения значений от заданных сигнализируют об опасности, а в бортовом устройстве сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса, содержащем автономный источник питания, коммутатор, блок контроля работоспособности и блок индикации, дополнительно введены последовательно соединенные блок управления, таймер, аналого-цифровой преобразователь и оперативно-запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом блока управления, а также преобразователь напряжения, первый вход которого соединен со вторым выходом блока управления, а выход - с первым входом коммутатора, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления, подключенного через третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой выходы соответственно ко вторым входам аналого-цифрового преобразователя, оперативнозапоминающего устройства, коммутатора, а также к входам автономного источника питания, блока контроля работоспособности и блока индикации, второй и третий выходы таймера соединены с третьими входами блока управления и оперативно-запоминающего устройства, автономный источник питания подключается ко второму входу преобразователя напряжения, коммутатор вторым выходом подсоединен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, а третьим, четвертым и пятым выходами соответственно к контактной сети, корпусу троллейбуса и "земле", которые соединены с третьим, четвертым и пятым входами коммутатора, шестого вход которого подключен также к выходу блока контроля работоспособности. Новым в заявляемом способе определения токов утечки на корпус троллейбуса является то, что дополнительно формируют значения тестирующих электрических сигналов, моделируют возможные варианты цепей токов утечки и непрерывно контролируют текущие значения напряжения различных участков цепи бортового электропитания, а на основе полученных результатов выдают прогностическую оценку состояния цепей токов утечки и в случае отклонения значений от заданных сигнализируют об опасности, а новым в заявляемом бортовом устройстве сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса является то, что в него дополнительно введены последовательно соединенные блок управления, таймер, аналогоцифровой преобразователь и оперативнозапоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом блока управления, а также преобразователь напряжения, первый вход которого соединен со вторым выходом блока управления, а выход - с первым входом коммутатора, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления, подключенного через третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы соответственно ко вторым входам аналого-цифрового преобразователя, оперативно-запоминающего устройства, коммутатора, а также входам автономного источника питания, блока контроля работоспособности и блока индикации, второй и третий выходы таймера соединены с третьими входами блока управления и оперативнозапоминающего устройства, автономный источник питания подключен ко второму входу преобразователя напряжения; коммутатор вторым выходом подсоединен к третьему входу аналогоцифрового преобразователя, а третьим, четвертым и пятым выходами соответственно к контактной сети, корпусу троллейбуса и "земле", которые соединены с третьим, четвертым и пятым входами коммутатора, шестой вход которого подключен также к выходу блока контроля работоспособности. Дополнительное введение блока управления, последовательно соединенного с таймером, аналого-цифровым преобразователем и оперативно-запоминающем устройством, позволяет снимать, обрабатывать и хранить полученную информацию с необходимой точностью, программно изменять, в том числе с учетом текущих и возможных ситуаций режим работы, а также задавать временные характеристики работы различных блоков и тестирующих сигналов. Кроме того, введение между автономным источником питания и коммутатором преобразователя напряжения позволяет с помощью блока управления, с учетом текущих и возможных в эксплуатационных условиях ситуаций, формировать различные параметры тестирующих электрических сигналов, необходимые для проверки и прогнозирования состояния отдельных участков электрической цепи и общего ее контроля. Дополнительное создание новых связей коммутатора с различными участками контактной и питающими различные функциональные блоки троллейбуса электрическими цепями, а также корпусом троллейбуса, "землей" и блоками заявляемого бортового устройства позволяет в динамике, например, рабочей смены организовать тестирование и контроль всех электрических цепей троллейбуса и обеспечить электробезопасное функционирование как самого бортового устройства, так и электрооборудования троллейбусов в целом. На чертеже (фиг.) представлена блок-схема заявляемого бортового устройства. Бортовое устройство сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса содержит: автономный источник питания 1, обеспечивающий как питание самого бортового устройства, так и возможность проверки состояния различных участков электрических цепей троллейбуса, независимо от изменяющихся эксплуатационных условий; коммутатор 2, осуществляющий подключение блоков бортового устройства к различным участкам питающих цепей, корпусу троллейбуса и "земле"; блок контроля работоспособности 3, моделирующий различные значения контролируемых бортовым устройством параметров для периодического контроля его блоков; блок индикации 4, формирующий в световой и звуковой форме сигналы о состоянии контролируемых параметров; блок управления 5, предназначенный для включения бортового устройства, выбора режима работы, организации измерений, программного изменения режима работы всех блоков бортового устройства; таймер 6, обеспечивающий формирование эталонных измерительных интервалов и динамических характеристик блоков бортового устройства; аналого-цифровой преобразователь 7, предназначенный для преобразования поступающей с контролируемых участков аналоговой информации в цифровую; оперативно-запоминающее устройство 8, для накопления и последующей передачи информации в блок управления для обработки; преобразователь напряжения 9, обеспечивающий выработку необходимых уровней питающих и тестирующих напряжений. Бортовое устройство сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса содержит автономный источник питания 1, коммутатор 2, блоки контроля работоспособности 3, индикации 4, блок управления 5, первым выходом подключенный к последовательно соединенным таймеру 6, аналого-цифровому преобразователю 7 и оперативно-запоминающему устройству 8, выход которого соединен с первым входом блока управления 5, а также преобразователь напряжения 9, первый вход которого соединен со вторым выходом блока управления 5, а выход - с первым входом коммутатора 2, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления 5, подключенного через третий, четвертый, пятый выходы ко вторым входам аналого-цифрового преобразователя 7, оперативно-запоминающего устройства 8, коммутатора 2, через шестой и седьмой - к входам автономного источника питания 1, блока контроля работоспособности 3, а через восьмой выход - к входу блока индикации 4, второй и третий выходы таймера 6 соединены с третьими входами блока управления 5, и оперативно-запоминающего устройства 8, автономный источник питания 1, подключен ко второму входу преобразователя напряжения 9; коммутатор 2, вторым выходом подсоединен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя 7, а третьим, четвертым и пятым выходами соответственно - к контактной сети 10, корпусу троллейбуса 11 и "земле" 12, которые соединены с третьим, четвертым и пятым входами коммутатора 2, шестой вход которого подключен также к выходу блока контроля работоспособности 3. Реализуют бортовое устройство сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса следующим образом. Автономный источник питания 1 может быть выполнен, аналогично известным, например, на основе аккумуляторов КНР-1,5 [5]. Коммутатор 2 может быть изготовлен аналогично известным, например, с использованием малогабаритных реле типа РЭН 29 [6]. Блок контроля работоспособности 3 может быть выполнен аналогично известным, например, на основе цифроаналоговых преобразователей типа К572ПА1. Блок индикации 4 может быть изготовлен аналогично известным, например, с использованием светодиодов с управляемым цветом излучения типа АЛС 331 [8] и малогабаритных электродинамических громкоговорителей, например, типа 0,025 ГД-1 [5]. Блок управления 5 может быть выполнен аналогично известным, например, на основе микропроцессоров типа К1816КЕ51 [9]. Таймер 6 может быть изготовлен аналогично известным, например, с использованием программируемого таймер-счетчика КР580ВИ53[10]. Аналого-цифровой преобразователь 7 может быть изготовлен аналогично известным, например, на основе АЦП К572ПВ1 или К572ПВ2 [7]. Оперативно-запоминающее устройство 8 может быть выполнено также аналогично известным, например, с использованием микросхем КР537РУ10 или КР537РУ8 [11]. Преобразователь напряжения 9 может быть изготовлен аналогично известным, например, на основе высокочастотных транзисторных преобразователей [12]. Заявляемое бортовое устройство работает следующим образом. Известно, что на величину тока утечки воздействует ряд таких факторов, как величина питающего напряжения, сопротивление цепей утечки и др. Поэтому в способе, на котором основана работа бортового устройства сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса, заложен контроль измерения и прогнозирования изменения величины контролируемых параметров. С этой целью в заявляемое бортовое устройство сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса дополнительно введены последовательно соединенные блок управления, таймер, аналого-цифровой преобразователь и оперативно-запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом блока управления, а также преобразователь напряжения, первый вход которого соединен со вторым выходом блока управления, а выход - с первым входом коммутатора, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления, подключенного через третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы соответственно ко вторым входам аналого-цифрового преобразователи, оперативнозапоминающего устройства, коммутатора, а также к входам автономного источника питания, блока контроля работоспособности и блока индикации, второй и третий выходы таймера соединены с третьими входами блока управления и оперативно-запоминающего устройства, автономный источник питания подключен ко второму входу преобразователя напряжения; коммутатор вторым выходом подсоединен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, а третьим, четвертым и пятым выходами соответственно к контактной сети, корпусу троллейбуса и "земле", которые соединены с третьим, четвертым и пятым входами коммутатора, шестой вход которого подключен также к выходу блока контроля работоспособности. Каждый цикл измерений осуществляется автоматически как оперативно, так и с периодичностью, задаваемой таймером 6 с помощью программы, которая изменяется по сигналу с блока управления последовательно в зависимости от ситуаций, возникающих в процессе эксплуатации троллейбуса. В начале каждого цикла измерений коммутатор подключает аналого-цифровой преобразователь 7 к контактной сети для измерения величины питающего напряжения. Измеренное значение питающего напряжения поступает в оперативнозапоминающее устройство, откуда периодически считывается блоком управления для анализа текущих значений питающего напряжения. Затем по сигналам с блока управления коммутатор подключает аналого-цифровой преобразователь (7) для измерения потенциала корпуса троллейбуса по отношению к отрицательному и положительному контактным проводам двухпроводной троллейбусной силовой линии, "земле", а также потенциалов каждого из проводов двухпроводной силовой линии по отношению к "земле". Кроме того, в связи с тем, что любой элемент электрических цепей троллейбуса, находящийся под тем или иным, в зависимости от участков цепи и питающего напряжения, потенциалом относительно "земли", имеет определенное сопротивление изоляции относительно корпуса, то в предлагаемом бортовом устройстве осуществляется также обязательный контроль и измерение значений потенциалов, сопротивление изоляций и токов утечки наиболее важных участков цепей относительно корпуса троллейбуса и "земли"ю Для этого по сигналам с блока управления коммутатор осуществляет периодическое подключение контролируемых участков цепей к аналого-цифровому преобразователю. Измеренные значения потенциалов зависят от состояния сопротивления изоляции и токов утечки с контролируемых участков электрической цепи. Для определения сопротивлений и токов утечки различных цепей электропитания троллейбуса, блоком управления через преобразователь напряжения и коммутатор между программнозадаваемыми точками подается импульсное напряжение, амплитудное значение которого формируется такой величины, которая соответствует номинальным уровням, а также максимально возможным, учитывающим диапазон измерений контролируемых значений потенциалов в условиях изменяющихся значений питающих напряжений контактной сети. Время действия сигналов, тестирующих состояние различных участков цепей электропитания, задается таймером. При этом длительность сигналов обеспечивает соблюдение условий электробезопасности. Применение тестирующих сигналов позволяет определять как сопротивление изоляции различных цепей, так и величину токов утечки, а также обеспечивать возможность контроля состояния этих цепей независимо от применяемой системы питания и проверять состояние контролируемых цепей не только при рабочих, но и при других значениях напряжений, которые могут возникать в условиях эксплуатации троллейбуса. Однако, даже в тех случаях, когда значения всех контролируемых величин измеряемых сопротивлений и токов утечки различных цепей находятся в пределах нормы, это полностью не исключает возможность поражения электротоком пассажира или водителя, Такая нештатная ситуация может возникнуть при посадке (высадке) пассажиров или водителя в троллейбус, когда в момент их касания корпуса троллейбуса сопротивление пассажира (водителя) очень низкое, например, 1кОм, а на месте посадки (высадки) имеется, кроме того, достаточно высокая проводимость дорожного покрытия. Поэтому, при проведении в таких случаях замеров, когда сопротивление цепи корпуса троллейбуса по отношению к "земле" сравнительно высокое, как раз и возможны поражения электрическим током пассажира (водителя). Для исключения подобных ситуаций заявляемым бортовым устройством предусматривается периодическое включение блоком управления через коммутатор между корпусом троллейбуса и землей эквивалентного значения сопротивления, например, 1кОм, для проведения всех предусмотренных программнозадаваемых замеров в условиях такой проводимости. Аналогичным образом с учетом проводимых измерений и возможности возникновения ситуаций, когда одновременно к питающей сети троллейбуса будет подключено несколько блоков с сопротивлением изоляций в пределах нормы, а при параллельном подключении возможно резкое снижение сопротивления, в заявляемом бортовом устройстве предусмотрено также проведение замеров с автоматическим моделированием подобных ситуаций и проведением измерений в подобных условиях. Для проверки работоспособности всех блоков заявляемого бортового устройства предусмотрено периодическое моделирование ситуации, относящейся к категории недопустимых. В случаях, когда бортовое устройство не диагностирует моделируемую ситуацию, то в блоке индикации выдается сигнал о сбое в работе устройства. Во всех остальных ситуациях блок индикации формирует световой и звуковой сигналы одновременно исключительно в случае нарушения состояния изоляции контролируемых цепей. В тех же случаях, когда все параметры находятся в пределах нормы, высвечивается только соответствующий сигнал - "норма". Таким образом, техническое решение заявляемого бортового устройства сигнализации токов утечки на корпус троллейбуса направлено на определение и сигнализацию токов утечки, сопротивления изоляции и потенциалов различных электрических цепей троллейбуса в заземленной и незаземленной схемах его электропитания в реально существующих и программно-моделируемых условиях для оперативного выявления и тем самым исключения ситуаций, приводящих к поражению организма человека электрическим током. Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР №970276, кл. G01R31/02, опубл. 30.10.82, Бюл. №40. 2. Авторское свидетельство СССР №1150587, кл. G01R31/02, опубл. 14.05.85, Бюл. №14. 3. Авторское свидетельство СССР №1798740, кл. G01R31/02, опубл. 28.02.93, Бюл. №8. 4. Стенд для контроля сопротивления изоляции и токов утечки троллейбусов (СКПТ) / Веклич В.Ф. Диагностирование технического состояния троллейбусов. - М.: Транспорт, 1990. 295с. (С.103 - 107). 5. Терещук P.M., Терещук К.М., Седов С.А. и др. Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник радиолюбителя. - К.: Наук. думка, 1976. - 557с. 6. Игловский И.Г., Владимиров Г.В. Справочник по слаботочным электрическим реле. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 560с. (с.146 - 149). 7. Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналогоцифровые преобразователи. - М.: Радио и связь, 1984. - 120с. 8. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справ. / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, А.М. Юшин. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 448с. 9. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 224с. 10. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справ. / С.Т. Хвощ, Н.Н. Валинский, Е.А. Попов; Под общ. ред. С.Т. Хвоща. - Л.: Машиностроение, 1987. - 640с. 11. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1990. - 160с. 12. Высокочастотные транзисторные преобразователи. / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович, Н.Н. Юрченко и др. - М.: Радио и связь, 1988. 288с.