Пристрій захисту рентгенівського комп’ютерного томографа (ркт)

Реферат: Пристрій захисту рентгенівського комп'ютерного томографа (РКТ) містить комутаційний апарат, через який РКТ підключений до мережі, паралельно РКТ підключені статичні конденсаторні батареї. Додатково містить блок вимірювання сили струму трьох фаз, перший і другий аналогово-цифрові перетворювачі, блок контролю лінійних напруг і живлення, мікропроцесорний блок, дисплей, блок твердотільних реле, блок управління статичними конденсаторними батареями. При цьому вхід блока твердотільних реле приєднаний до комутаційного апарата через блок вимірювання сили струму трьох фаз, а вихід підключений до РКТ і блока управління статичними конденсаторними батареями, до якого ввімкнені статичні конденсаторні батареї, другий вихід блока вимірювання сили струму трьох фаз підключений до першого блока аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого підключений до першого входу мікропроцесорного блока, другий вхід мікропроцесорного блока через другий аналоговоцифровий перетворювач підключений до блока контролю лінійних напруг і живлення, вхід якого підключений до мережі живлення, перший вихід мікропроцесорного блока підключений до дисплея, другий вихід до блока твердотільних реле, а третій вихід до блока управління статичними конденсаторними батареями, вихід блока контролю лінійних напруг і живлення підключений до відповідних входів блоків першого і другого аналогово-цифрового перетворювачів, мікропроцесорного блока і дисплею. UA 120117 U (12) UA 120117 U UA 120117 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електротехніки, до систем релейного захисту і використовується для захисту медичного обладнання, зокрема рентгенівських комп'ютерних томографів (РКТ), що працюють на змінному струмі. Призначено для захисту РКТ від внутрішніх перенапруг, викликаних появою неповнофазного режиму мережі живлення, обривом або ослабленням з'єднань струмоведучих частин, раптового провалу напруги або несанкціонованого вимикання живлення. Лабораторії, в яких установлені РКТ, отримують живлення як споживачі електропостачання третьої категорії. Згідно з [див. "Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів: Затв…. 25.07.06 № 258/ М-во палива та енергетики України. X: Індустрія, 2007. - 288 с.], електропостачання електроприймачів третьої категорії може виконуватися від одного джерела живлення за умови, що перерви електропостачання, необхідні для ремонту або заміни пошкодженого елемента системи електропостачання, не перевищують 1 добу. Спостерігаються випадки, коли в системі електропостачання РКТ відбуваються провали напруги або несанкціоновані його вимикання. Причинами несанкціонованих вимикань і провалів напруги можуть бути короткі замикання в мережі, технологічні перемикання навантажень, грозові розряди, спрацьовування релейного захисту і т.ін. Провали або зникнення напруги призводять до поломки елементів РКТ. Причиною пошкодження РКТ є появи перенапруги, викликані знеструмленням елементів індуктивностей у блоках РКТ під час проведення обстеження пацієнта, у момент проходження струму пікового значення синусоїди. Захистити РКТ від внутрішніх перенапруг можна, якщо своєчасно діагностувати аварійний режим мережі, струмоведучих частин, збільшити час загасання величини напруги і провести вимикання РКТ від мережі при нульовому значенні струму. Відомий ряд пристроїв, що дозволяють підвищити надійність електропостачання електроприймачів, які отримують живлення за другою категорією електропостачання, це дві трансформаторні підстанції з установкою трансформаторів з РПН (регулювання напруги під навантаженням), вольтододаткових трансформаторів і лінійних регуляторів. Недоліками цих пристроїв є провал напруги, тривалість якого визначається часом спрацьовування релейного захисту та пристроїв автоматичного вмикання резерву й регулювання. Тривалість перерви електропостачання становить від 150 до 350 мс, що не забезпечує безаварійну роботу РКТ. Відомі [http://pulsar.kiev.ua/invertorno-akkumuliatornaya-sistema] інверторно-акумуляторні системи безперебійного живлення, які застосовують для вмикання резервного живлення від акумуляторних батарей з допомогою інвертування постійної напруги на змінну. Використання джерела резервного живлення не дозволяє захистити РКТ від тривалих провалів і несанкціонованих вимикань напруги. Тривалість перемикання резервного живлення для блоків безперебійного живлення потужністю до 10 кВт дорівнює 10 мс, а для блоків живлення потужністю понад 100 кВт -і понад 30 мс. Найбільш близьким технічним рішенням до корисної моделі є "Пристрій захисту споживачів електроенергії від короткочасних провалів напруги" [Патент RU 2290730, кл. H02J 9/06, опуб. 2005.05.20], в якому використані два незалежні джерела живлення, два комутаційні апарати, через які споживач підключений до відповідних секцій шин із незалежними джерелами живлення і секційним роз'єднувачем, паралельно споживачеві ввімкнені статичні конденсатори і керований реактор. У відомому пристрої під час короткочасного зниження рівня напруги підтримку напруги на шинах і продовження часу підтримки напруги забезпечується за рахунок віддачі запасеної енергії в конденсаторах. Недоліком цього пристрою є те, що він може використовуватися лише для електропостачання електроприймачів, віднесених до другої категорії споживачів напруги вище за 6 кВ. Живлення РКТ здійснюється як споживач третьої категорії і працює РКТ на напрузі 380 В. Запропонований пристрій може бути застосовано для споживачів, у яких є виведення нульової точки, щоб паралельно увімкнути конденсатори й реактори, а РКТ працює з ізольованою нейтраллю (зміна конструкції РКТ заборонена фірмою виробника). У відомому пристрої час перехідного процесу розряду конденсаторів зумовлений комплексним опором електроприймача, який відповідає технології виробництва, індуктивності реактора - Lr і Сb - ємністю конденсаторів. Для мереж, напругою до 1000 В, при розрахунку часу розряди конденсатора і добротності фільтра необхідно враховувати активні опори всіх елементів схеми. Величина активного опору зменшує час розряду конденсатора. Якщо час розряду конденсатора менший за часові уставки релейного захисту, захищуване навантаження знеструмиться на період спрацьовування релейного захисту. У даному пристрої відсутній моніторинг рівнів фазних струмів і лінійних напруг мережі, що робить неможливим визначити причину появи зниження напруги і відрізнити провал напруги від зникнення напруги. Виникнення 1 UA 120117 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 неповнофазного режиму мережі або обрив струмоведучих частин призведе до аварійного вимикання РКТ після повного розряду конденсаторної батареї. В основу корисної моделі поставлена задача щодо захисту РКТ від внутрішніх перенапруг, викликаних появою неповнофазного режиму мережі живлення, обриву або ослаблення з'єднань струмоведучих частин, раптового провалу напруги або несанкціонованого вимикання живлення й необхідності не допустити проведення обстеження пацієнта в аварійному режимі. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій захисту рентгенівського комп'ютерного томографа (РКТ) містить комутаційний апарат, через який РКТ підключений до мережі, паралельно РКТ підключені статичні конденсаторні батареї, відповідно до корисної моделі, додатково містить блок вимірювання сили струму трьох фаз, перший і другий аналоговоцифрові перетворювачі, блок контролю лінійних напруг і живлення, мікропроцесорний блок, дисплей, блок твердотільних реле, блок управління статичними конденсаторними батареями, при цьому вхід блока твердотільних реле підключений до комутаційного апарата через блок вимірювання сили струму трьох фаз, а вихід підключений до РКТ, паралельно якому підключено вихід блока управління статичними конденсаторними батареями, до якого ввімкнені статичні конденсаторні батареї, другий вихід блока вимірювання сили струму трьох фаз підключений до першого блока аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого підключений до першого входу мікропроцесорного блока, другий вхід мікропроцесорного блока через другий аналоговоцифровий перетворювач підключений до блока контролю лінійних напруг і живлення, вхід якого підключений до мережі живлення, перший вихід мікропроцесорного блока підключений до дисплея, другий вихід до блока твердотільних реле, а третій вихід до блока управління статичними конденсаторними батареями, вихід блока контролю лінійних напруг і живлення підключений до відповідних входів блоків першого і другого аналогово-цифрового перетворювачів, мікропроцесорного блока і дисплею. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 наведені графіки зміни струмового навантаження у фазах повного циклу обстеження пацієнта за допомогою РКТ Аlхіоn 16 (фірма виробник Тошиба). На фіг. 2 графік споживання активної та реактивної потужностей повного циклу обстеження пацієнта. На фіг. 3 - наведена блок-схема пристрою. На Фіг. 4 осцилограми зміни напруги на шинах живлення РТК під час роботи пристрою різноманітних режимах підключення батарей конденсаторів. В апаратах РКТ для проведення обстеження потрібна висока, близько 125 кВ, анодна напруга (http://rudocs.exdat.com/docs/index-67135.html). Режим роботи РКТ (див. Фіг. 1) є циклічним і повторно-короткочасним, час обстеження становить бід 7 до 25 хвилин. Цикл обстеження складається з підготовчого періоду, величина струму становить (5-8) % від номінального значення, попереднього обстеження - час обстеження становить 3-6 хвилин і величина струму може становити (30-100) % номінальну величину і період основного обстеження час обстеження становить 7-15 хвилин і величина струму може становити (30100) % номінальної величини. Під час обстежень РКТ споживає велику реактивну потужність (див. Фіг. 2). Елементи РКТ мають значну величину індуктивності - L. Якщо під час обстеження відбувається несанкціоноване вимикання напруги, неповнофазний режим мережі живлення, обрив або ослаблення з'єднань струмоведучих частин, раптовий провал напруги, нижчий за величини 0,6 Uн, де Uн - номінальна напруга, це призводить до раптового знеструмлення індуктивності, що викликає появу ЕРС (електрорушійної сили) самоіндукції, яка визначається виразом: dI e  L . dt Максимальна величина ЕРС виникає в момент проходження одного з фазних струмів пікового значення синусоїди, що викликає перенапруження, величина якого значно перевищує номінальне значення робочої напруги, що є причиною виходу елементів РКТ із ладу. При частоті живлення 50 гц час протікання аварійної ситуації становить від 0 до 1 мс. Раптове припинення живлення в цей момент, один раз із десяти випадків, призводило до пошкодження РКТ - виходу з ладу інвертора. Провал напруги під час обстеження пацієнта призводить не тільки до пошкодження ТКР і його витратного ремонту, але й до повторного опромінення пацієнта під час другого обстеження. Моніторинг струмів і напруг дозволяє діагностувати причини появи провалу напруги або несанкціонованого вимикання живлення, захистити РКТ від підключення до пошкодженої мережі, медичному персоналу приймати рішення про доцільність початку проведення обстеження пацієнта, а під час виникнення неповнофазного режиму або обриву струмоведучих частин, забезпечить вимикання РКТ від мережі при проходженні фазного струму нульового значення. 2 UA 120117 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Блок-схема пристрою, див. Фіг. 3, містить комутаційний апарат 1, блок вимірювання сили струму трьох фаз 2, блок контролю лінійних напруг і живлення 3, перший і другий аналогоцифрові перетворювачі (АЦП) 4, 5, мікропроцесорний блок 6, дисплей 7, блок твердотільних реле (ТТР) 8, рентгенівський комп'ютерний томограф (РКТ) 9, блок управління статичними конденсаторними батареями 10, статичні конденсаторні батареї 11. Комутаційний апарат 1, наприклад автоматичний вимикач ВА-88-33 125 А, виробництва ІСК, приєднаний до мережі живлення для вмикання і вимикання (РКТ) 9, блок вимірювання сили струму трьох фаз 2, виконаний трьома трансформаторами струму, первинна обмотка кожного є частиною струмопроводу, а у вторинній обмотці встановлений шунт для перетворення сили струму на сигнал напруги, який надходить через перший аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) 4 на вхід мікропроцесорного блока 6. Як АЦП 4 і АЦП 5 використано перетворювачі змінного струму і напруги Є854ЕЛ, призначені для лінійного перетворення вхідного сигналу змінного струму і напруги частотою в 50 Гц в один або два уніфіковані гальванічно розв'язані вихідні сигнали постійного струму. Мікропроцесорний блок 6 служить для прийому сигналів від блоків АЦП 4 і 5, їх обробка й отримання сигналів управління для блока твердо тільних реле ТТР 8, блока управління статичними конденсаторними батареями 10 і дисплея 7, виконані на базі мікроконтролера AT mega 168V фірми Atmel. Блок контролю лінійних напруг і живлення 3 утворений трьома однофазними трансформаторами напруги, підключеними до лінійних напруг мережі, у вторинні котушки ввімкнені мостові випрямлячі з паралельно-послідовною фільтрацією. Три позитивні напруги однопровідними шинами з'єднані з входами мікропроцесора 6 через другий АЦП-5, це дозволяє сформувати датчик лінійних напруг і контролювати наявність напруги в мережі, до трьох позитивних виходів послідовно включених діодів у кожної лінії і пов'язані один з одним, що дозволяє отримати живлення для АЦП 4, 5, мікропроцесорний блок 6 і дисплей 7, незалежно від неповнофазної напруги мережі, негативні потенціали блока вимірювання сили струму трьох фаз 2, блока контролю лінійних напруг і живлення 3, першого АЦП 4 і другого АЦП 5, мікропроцесорний блок 6, дисплей 7, блок управління статичними конденсаторними батареями 10, об'єднані в загальну точку. Вихід мікропроцесорного блока 6 з'єднаний з дисплеєм 7 для отримання світлової інформації. Струмоведучі лінії з блока вимірювання сили струму трьох фаз 2 з'єднані з блоком твердотільного реле (ТТР) 8. У блока ТТР 8 використані твердо тільні реле типу GaDH-800120.ZD з управлінням постійною напругою 3-32 В, які дозволяють вимкнути РКТ при проходженні струму навантаження через нульове значення. Блок управління статичними конденсаторними батареями 10, що представляють комутуючі апарати зі східчасто керованим мікропроцесорним блоком 6, для ступінчастого регулювання реактивної потужності, статичні конденсаторні батареї 11, які призначені для компенсації реактивної потужності, наприклад, типу KM-600 В. Статичні конденсаторні батареї 11 ввімкнені до блока 10, котрий вмикає їх паралельно до клем РКТ 9. Робота пристрою в нормальному режимі Напруга мережі подається через комутаційний апарат 1, блок вимірювання сили струму трьох фаз 2 на вхід блока ТТР-8 і блока контролю лінійних напруг і живлення 3. Низьковольтне живлення на виході блока контролю лінійних напруг і живлення 3 активізує роботу блоків АЦП 4, 5, дисплея 7, мікропроцесорного блока 6. Три сигнали лінійної напруги з блока контролю лінійних напруг і живлення 3 через АЦП-5 подаються на відповідні входи мікропроцесорного блока 6. За наявності номінальних значень напруг мережі на виході мікропроцесорного блока 6 з'являється сигнал, що надходить на дисплей 7, який відображає цю інформацію, і сигнал, що надходить у блок ТТР 8. За відсутності неповнофазного режиму мережі сигнал із виходу мікропроцесорного блока 6 надходить на блок ТТР 8, який підключає РКТ-9 до мережі, початок підготовчого режиму. За наявності номінальних значень напруг мережі на виході мікропроцесорного блока 6 з'являється сигнал, що надходить на блок управління статичними конденсаторними батареями 10. Блок управління статичними конденсаторними батареями 10 включає першу сходинку статичних батарей конденсаторів 11. Споживання струму, відповідно, активної і реактивної потужностей (див. Фіг. 1, 2), дозволяє процес обстеження пацієнта розбити на три характерні інтервали: підготовчий інтервал, коли сила струму дорівнює 2-3 % від номінального значення; інтервал початкового обстеження, коли сила струму дорівнює 2-25 % від номінальної величини, інтервал повного обстеження, коли сила струму може досягати 25100 % значення від номінальної величини струму. Величина робочого струму визначає потужність вмикання статичних конденсаторних батарей 11. На виході блок вимірювання сили струму трьох фаз 2 з'являються три сигнали, що надходять на відповідні входи мікропроцесорного блока 6 через блок АЦП-4. У справному стані струмоведучих частин величини фазних струмів відрізняються одна від одної на величину, викликану наявністю 3 UA 120117 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 несиметрії напругою мережі, коефіцієнт несиметрії струмів становить до 3 %. Величина коефіцієнта несиметрії струму, що дорівнює 3 %, відповідає справному стану струмоведучих частин. На виході блока вимірювання сили струму трьох фаз 2 формується сигнал, що надходить на мікропроцесорний блок 6, а дисплей 7 відображає цю інформацію. Справний стан мережі і струмоведучих частин дозволяють провести підготовку РКТ до обстеження і обстежити пацієнта. Робота пристрою в аварійних режимах Обрив одного з проводів струмоведучих частин призводить до нульового значення струму в пошкодженому проводі та збільшення сили струму у двох непошкоджених проводах. Вихідні сигнали з блока контролю лінійних напруг і живлення 3 залишаються незмінними. Сигнал з блока вимірювання сили струму трьох фаз 2 через АЦП 4 надходить до мікропроцесорного блока 6. Дисплей 7 відображає цю аварійну ситуацію. Мікропроцесорний блок 6 подає сигнал до блока ТТР-8, який вимикає РКТ-9 від мережі. Властивість ТТР: він вимикає по фазно навантаження протягом 1 мс - 2 мс під час переходу струму через нульове значення синусоїди. Енергія запасена статичною конденсаторної батареї (при її розряді) збільшує час зниження напруги до величини 0,6 Uн. На Фіг. 4 осцилограми показані процеси розряду конденсатора на індуктивно-активне навантаження. Потужність батареї конденсаторів вибрана так, щоб коефіцієнт потужності дорівнював cos  1. Осцилограма, наведена на фіг. 4, де а) показує зниження напруги на клемах навантаження без паралельно включених статичних конденсаторних батарей; б) осцилограма зниження напруги на клемах навантаження при включених паралельно статичних конденсаторних батареяхcos  1; в) осцилограма зниження напруги на клемах навантаження при включених паралельно статичних конденсаторних батареях cos   0,82 . Неповнофазний режим мережі призводить до зникнення по одному з сигналів на виходах блока вимірювання сили струму трьох фаз 2 і блока контролю лінійних напруг і живлення 3. Мікропроцесорний блок 6 подає сигнал на дисплей 7, який відображає цю аварійну ситуацію, і сигнал до блока ТТР-8. Вимикання РКТ відбувається в тому ж порядку, як і під час обриву проводу. Несанкціоноване вимикання мережі призводить до знеструмлення блока вимірювання сили струму трьох фаз 2, блока контролю лінійних напруг і живлення 3, перший і другий аналогоцифрові перетворювачі (АЦП) 4, 5, мікропроцесорний блок 6, дисплей 7, блок твердотільних реле (ТТР) 8… Блок ТТР-8 вимикається РКТ від мережі живлення. Розряд статичної конденсаторної батареї дозволяє провести це вимикання без пошкодження елементів РКТ. Зниження напруги на клемах РКТ, до рівня Uc  0.6 UH відбувається за 25-30 мс. Короткочасні провали напруги в мережі призводять до одночасного зниження рівнів струмових із блока вимірювання сили струму трьох фаз 2, АЦП 4, блока контролю лінійних напруг і живлення 3, і АЦП 5. Під час короткочасного провалу напруги до 5 мс напруга мережі залишається на клемах РКТ 9, розряд статичної конденсаторної батареї дозволяє підтримувати рівень напруги на клемах РКТ у межах нормованого значення 10 %. Провал напруги, тривалість якої перевищує 5 мс, сприймається мікропроцесорним блоком 6 як несанкціоноване вимикання напруги мережі У цьому випадку РКТ-9 вимикається від мережі в аварійному режимі аналогічно прикладу описаному вище. Правильність роботи розробленого пристрою перевірили в лабораторних умовах. Як навантаження використовували індуктивно-активне регульоване навантаження Індуктивність L=0,38 гн, активний опір R=36 Ом, паралельно ввімкнені конденсатори. На Фіг. 4: а) наведені осцилограми зміни напруги під час вимкнених батарей конденсаторів, час загасання напруги становив 1 мс, б) під час ввімкнених батарей конденсаторів cos  1, час загасання напруги дорівнює 22 мс; в) під час ввімкнених батарей конденсаторів cos   0,8 , час загасання напруги дорівнює 31 мс. Наведені результати дослідження дозволили перевірити правильність роботи пристрою і зробити коректний вибір параметрів елементів схеми. Моніторинг фазних струмів навантаження і лінійних напруг мережі дозволили розрізнити провал напруги мережі від неповнофазного режиму і обриву струмової частини. Використання енергії, запасеної в конденсаторі, для підтримки рівня напруги при провалах протягом 10 мс, дозволило не вимикати РКТ від мережі при провалі напруги протягом 5 мс і вимкнути ТТР в аварійних режимах. Запасена енергія конденсаторними батареями і діагностика режимів мережі дозволили не допустити проведення обстеження пацієнта в аварійному режимі й безаварійно вимкнути РКТ від мережі, тим самим забезпечити надійність роботи РКТ. 4 UA 120117 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Пристрій захисту рентгенівського комп'ютерного томографа (РКТ), що містить комутаційний апарат, через який РКТ підключений до мережі, паралельно РКТ підключені статичні конденсаторні батареї, який відрізняється тим, що додатково містить блок вимірювання сили струму трьох фаз, перший і другий аналогово-цифрові перетворювачі, блок контролю лінійних напруг і живлення, мікропроцесорний блок, дисплей, блок твердотільних реле, блок управління статичними конденсаторними батареями, при цьому вхід блока твердотільних реле приєднаний до комутаційного апарата через блок вимірювання сили струму трьох фаз, а вихід підключений до РКТ і блока управління статичними конденсаторними батареями, до якого ввімкнені статичні конденсаторні батареї, другий вихід блока вимірювання сили струму трьох фаз підключений до першого блока аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого підключений до першого входу мікропроцесорного блока, другий вхід мікропроцесорного блока через другий аналоговоцифровий перетворювач підключений до блока контролю лінійних напруг і живлення, вхід якого підключений до мережі живлення, перший вихід мікропроцесорного блока підключений до дисплея, другий вихід до блока твердотільних реле, а третій вихід до блока управління статичними конденсаторними батареями, вихід блока контролю лінійних напруг і живлення підключений до відповідних входів блоків першого і другого аналогово-цифрового перетворювачів, мікропроцесорного блока і дисплею. 5 UA 120117 U 6 UA 120117 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7