CN101247695A - 机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，主要由微型电源、小型继电器、半导体双向开关、电压检测电路组成一个四端装置，串接在机场助航灯恒流调光系统的隔离变压器次级插座和卤钨灯插头之间，负载回路正常时，保护器不影响系统正常工作，一旦负载开路，保护器立即短路隔离变压器次级，使隔离变压器处于空载工作状态，从而彻底根除机场助航灯恒流调光系统灯丝开路造成的隔离变压器次级回路开路运行而造成危害的可能性，降低助航灯恒流调光系统运行维护的成本，减轻灯光站工作人员的劳动强度，提高工效，增强助航灯光系统的运行可靠性和飞机起降的安全性。

Description

机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器

技术领域

本发明涉及用于一般电光源的电路装置，尤其涉及机场助航照明电气设备的电气保护装置，具体地说，是一种机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器。

背景技术

机场助航灯光系统是确保飞机在夜间或能见度较低情况下正常起降的必要目视助航设施，与飞机起降和滑行的安全运行紧密相关，因此助航灯光系统的稳定性、可靠性、应急性就显得尤为重要。

现代助航调光系统普遍采用卤钨灯串联、由恒流调光器供电方式。它的基本构成如图21所示。

恒流调光系统，主要由低压配电设备(变压器和低压配电柜)、备用电源(柴油/汽油发电机)、恒流调光器(包括带电流负反馈的降压式电压调整器和升压变压器)、灯光回路电缆、隔离变压器以及卤钨灯泡等组成，其中分布在飞行区的灯泡通过隔离变压器由回路电缆串联起来接在恒流调光器输出回路中。每一个灯泡都要配一个隔离变压器，隔离变压器已成为恒流调光系统中不可缺少的重要设备之一。

在当前工况下，隔离变压器已成为恒流调光系统中的易损件之一，当发现异常时，灯光站值班人员必须在停航后立即更换。

导致其损坏的根本原因不难分析。从调光系统结构图中可以看出，隔离变压器的初级电流是恒流源，也就是说次级回路不应该开路运行。可一旦开路，必须要等到停航后才能维修，隔离变压器不得不开路运行几个甚至十几个小时。在隔离变压器次级回路开路运行期间，次级回路电流为“零”，初级回路电流(恒流调光器输出电流)全部用于隔离变压器激磁，使其处于严重过饱和状态，发热量急剧上升，加之隔离变压器是密封在防水、耐酸、碱、油的橡胶类实体腔内，热量无法散失到空气中，内部温升比正常工作时异常增高，使绝缘性能下降，有时甚至胀破橡胶类外壳；在每个工频半波内铁芯磁饱和瞬间，开路的次级回路侧会感应出异常的瞬时高压(电压有效值并不太高)。这两种现象对隔离变压器极具破坏作用，使其寿命严重缩短(有的只是正常寿命的10％～20％)，而且灯光回路大部分接地故障都是由此产生的。

隔离变压器次级回路开路运行的危害性不仅仅是导致隔离变压器寿命严重缩短，而且由于隔离变压器在每个工频周期内两次饱和，成为典型的非线性负载，即使正弦波供电也会产生严重的谐波电流(更何况可控硅恒流调光器本来就含有大量的高次谐波)，导致电网电能质量下降，电源侧功率因数降低，电能损耗增大，降低了设备的使用效率，也对电网造成了污染。同时，由于趋肤效应和介质损耗随频率的增加而增加，在灯光回路电缆、恒流调光器内主电路上的电子元件、升压变压器、及工作中的备用发电设备中，谐波电流会产生额外的电阻损耗、介质损耗和温升，加快了灯光系统中电缆、其它次级没开路的隔离变压器、升压变压器、恒流调光器的老化速度，对灯光系统周围的通讯等设备产生干扰，降低了机场系统运行的可靠性。

隔离变压器次级回路的负载是卤钨灯。而灯泡的寿命是极其有限的，加上在某些情况下电源电压波动或调光器故障引起的瞬时大电流冲击，灯丝烧断是不定时、不定期、不可预测地随时发生，也就是说，隔离变压器次级回路发生开路运行的工况是不可避免的。

隔离变压器次级回路开路运行带来的损失不仅仅是更换隔离变压器本身的成本和隔离变压器更换产生的系统维护人工成本，还包括灯光系统中其它设备寿命的缩短，运行维护或值班人员为故障查找、排除以及定期做绝缘检测等所耗费的人力损失。多处同时发生接地的可能性是存在的(曾经发生过)。一旦这种情况发生，将导致机场临时被迫关闭事故，还可能造成更大的损失。因此，在隔离变压器次级和卤钨灯之间加装一个灯丝开路(灯丝烧断)保护器是必要的。

加装一个灯丝开路(灯丝烧断)保护器，旨在彻底根除隔离变压器次级回路开路运行而造成危害的可能性，降低助航灯恒流调光系统运行维护的成本，减轻灯光站工作人员的劳动强度，提高工效，增强助航灯光系统的运行可靠性和飞机起降的安全性。由于设计方案的近乎完美，不会因为该保护器的接入而增加故障点。该无源设备功耗极低，不会影响灯光系统的正常运行和卤钨灯的发光强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种机场助航灯恒流调光系统灯丝开路(灯丝烧断)保护器，旨在彻底根除隔离变压器次级回路开路运行而造成危害的可能性，降低助航灯恒流调光系统运行维护的成本，减轻灯光站工作人员的劳动强度，提高工效，增强助航灯光系统的运行可靠性和飞机起降的安全性。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，串联接在卤钨灯和隔离变压器之间，其特征在于包括由机械触点开关和半导体开关并联而成的主开关、微型电源变换器、并联在开关两端的电压检测电路、串联于卤钨灯负载电路中的电流检测电路以及由运算放大器构成的电流检测放大、整流和比较器及继电器的驱动电路，其中所述的主开关并联接在隔离变压器次级的卤钨灯负载两端；所述的微型电源变换器，其初级与隔离变压器的次级、卤钨灯负载串联构成隔离变压器次级回路；其次级则连接整流桥、电容滤波和稳压管，提供单电源和/或正/负双电源供电；所述的电压检测电路并联于主开关的两端；所述的电流检测电路则与卤钨灯负载串联；所述的由运算放大器构成的放大、整流和比较器及继电器驱动电路的输入端连接所述的电流检测电路，输出端连接所述的主开关的机械触点开关(继电器)的线圈；该保护器通过A、B输入端接隔离变压器次级，C、D输出端接卤钨灯，当C、D端负载回路工作正常时，C、D两端的峰值电压小于50V，低于双向触发二极管的击穿电压，双向可控硅处于截止状态，漏电流小于1mA，同时电流检测电阻两端产生一个正比于负载电流的交流电压，该电压经运算放大器放大、整流、滤波后送比较器的反向输入端，由于该电压大于比较器的同向输入端设定电压，比较器的输出端为低电位，晶体管处于截止状态，继电器线圈不能得电，继电器触点处于断开状态，没有漏电流，因此，该保护器不影响灯光系统的正常运行；当C、D端负载回路开路时，C、D两端的峰值电压一定大于50V，双向触发二极管被击穿，双向可控硅被触发导通，隔离变压器次级被短路，处于空载运行状态，同时电流检测电阻两端电压为“0”，导致比较器的输出端翻转为高电位，晶体管饱和导通，继电器线圈得电使继电器触点闭合，双向可控硅被旁路，完成保护动作，并一直保持到所述调光器关机。

所述的主开关可以由继电器与双向可控硅、整流桥+单向可控硅、整流桥+IGBT、整流桥+功率场效应管和/或整流桥+功率晶体管电路构成。

所述的电压检测电路由适用于半导体开关电路的双向触发二极管和/或稳压管构成；或者由适用于带整流桥的半导体电路的单晶管、晶体管和/或运算放大器构成。

所述的由运算放大器构成的电流检测放大、整流和比较器及用于继电器的驱动电路，其结构包括电阻式、电流传感器式和/或电流变送器式，电阻式和电流传感器或检测电路输出交流信号，经过整流和滤波后送到比较器电路；电流变送器式则输出4～20mA.DC标准信号，通过电阻转换成电压信号送到比较器电路。

机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，所采用的外壳为一个完全水密气密的、能耐酸、碱、油类和机场土壤中其它常见化学物质侵蚀的整体，内部元件用环氧树脂浇灌和发泡保温，再用MH-T 6010-1999标准规定的合成橡胶材料包封成圆柱状，左端为标准双芯插头，用于连接隔离变压器的次级引出线插座，右端为标准双芯插座，用于连接灯具插头。

与现有技术相比较，本发明的优点是显而易见的，主要表现在彻底根除了隔离变压器次级回路开路运行造成危害的可能性，降低了助航灯恒流调光系统运行维护的成本，减轻了灯光站工作人员的劳动强度，提高了工效，增强了助航灯光系统的运行可靠性和飞机起降的安全性。

附图说明

本发明有附图21幅，其中：

图1是本发明的电气原理框图。

图2是本发明的电路结构示意图。

图3是含有继电器和双向可控硅并联电路的结构示意图。

图4是含有继电器和桥式整流与单向硅并联电路的结构示意图。

图5是含有继电器和桥式整流与IGBT并联电路的结构示意图。

图6是含有继电器和桥式整流与场效应管并联电路的结构示意图。

图7是含有继电器和桥式整流与功率晶体管并联电路的结构示意图。

图8是含有单电源方式微型电源变换器电路的结构示意图。

图9是含有双电源方式微型电源变换器电路的结构示意图。

图10是含有双向触发二极管式电压检测电路的结构示意图。

图11是含有稳压管式电压检测电路的结构示意图。

图12是含有单晶管式电压检测电路的结构示意图。

图13是含有晶体管式电压检测电路的结构示意图。

图14是含有运算放大器式电压检测电路的结构示意图。

图15是含有电阻式负载电流检测电路的结构示意图。

图16是含有传感器式负载电流检测电路的结构示意图。

图17是含有变送器式负载电流检测电路的结构示意图。

图18是含有电阻式电流检测传感器、放大器、整流器和比较器电路的结构示意图。

图19是含有电流传感器式电流检测、放大器、整流器和比较器电路的结构示意图。

图20是含有电流变送器式电流检测、放大、整流和比较器电路的结构示意图。

图21是机场助航灯恒流调光系统结构示意图。

在图中：1、微型电源变压器，2、整流桥，3、稳压器，4、电容器，5、电阻，6、电容器，7、电阻，8、运算放大器，9、二极管，10、电阻，11、电阻，12、电阻，13、电阻，14、运算放大器，15、电阻，16、三极管，17、继电器线圈，18、继电器触点，19、双向可控硅，20、双向触发二极管，21、电阻，22、电阻，23、电流检测电阻，100、主开关，200、微型电源变换器，300、电压检测电路，400、电流检测电路，500、电流检测放大、整流和比较器及继电器驱动电路。

具体实施方式

如图1-图20所示，一种机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，其特征在于含有一个机械触点开关和一个半导体开关并联的主开关、微型电源变换器、电压检测电路、电流检测电路和运算放大器构成的电流检测传感器放大器、整流器、比较器以及继电器的驱动器，由于上述电路都有多种不同的结构形式，因此发明标的是各种电路组合而成的多种形式的产品。机械触点开关和半导体开关并联后，并联接在卤钨灯泡的插座两端，专门用于机场助航灯恒流调光系统灯丝开路(灯丝烧断)时隔离变压器的保护。

当灯负载正常时，两端电压较低，保护器不动作，即机械触点开关断开、半导体开关截止；当电压检测电路检测到高电压时，立即驱动半导体开关饱和导通，与此同时电流检测电路检测到卤钨灯泡负载电流为零，经信号放大、逻辑处理，驱动机械触点开关闭合，双向可控硅被旁路，完成保护动作。这种机械触点开关与半导体开关的组合，既克服了机械触点开关动作延迟的缺陷，又克服了半导体开关发热的缺陷；既保证了保护动作迅速可靠，又保证了保护状态下电能损耗最小。调光器关机后，保护开关自动释放，调光器重新开机后，恢复正常保护功能。

下面结合附图对本发明的结构作进一步说明：

1.机械触点开关和半导体开关并联而成的主开关

该保护器主要组成部分之一是采用了一个机械触点开关和一个半导体开关，并联后并联接在隔离变压器次级的卤钨灯负载两端，机械触点开关可以是继电器，半导体开关可以是双向可控硅、桥式整流加单向可控硅、桥式整流加IGBT、桥式整流加功率场效应管或桥式整流加功率晶体管，如图3、图4、图5、图6和图7所示。

2.微型电源变换器

该保护器主要组成部分之二是采用了微型电源变换器，其微型电源变压器的初级与隔离变压器次级、卤钨灯负载串联构成隔离变压器次级回路，微型电源变压器的次级连接桥式整流、电容滤波和稳压管稳压，如图8、图9所示。图8提供单电源供电；图9提供正、负双电源供电。

3.电压检测电路

该保护器主要组成部分之三是采用了并联在主开关两端的电压检测电路，可以是双向触发二极管、稳压管、单晶管、晶体管或运算放大器，如图10、图11、图12、图13和图14所示。图10、图11适用于图3或图4所示的半导体开关电路；图12、图13、图14适用于其它带有桥式整流的半导体开关电路。

4.电流检测电路

该保护器主要组成部分之四是采用了与卤钨灯负载串联的负载电流检测电路，检测传感器可以是一个电阻或一个电流传感器或变送器，如图15、图16和图17所示。图15、图16得到的是交流信号，需要经过整流滤波后送到比较逻辑电路；图17得到的是标准的4～20mA.DC信号，可直接通过电阻转换成电压信号送到比较逻辑电路。

5.该保护器主要组成部分之五是采用了由运算放大器构成的电流检测传感器放大器、整流器和比较器，比较器输出信号用于控制驱动器以达到控制继电器的闭合或断开的目的。如图18、图19和图20所示，图18适用于图15所示的电阻传感器检测电流；图19适用于图16所示的电流传感器；图20适用于图17所示的电流变送器。

6.由图3、图8、图10、图15、图18各单元电路组合而成的整体方案如图2所示。在图2中，A、B输入端接隔离变压器次级，C、D输出端接卤钨灯。当C、D端负载回路工作正常时，C、D两端的峰值电压小于50V(最大有效值一般为30V.AC)，低于双向触发二极管20的击穿电压，双向可控硅19处于截止状态，漏电流小于1mA，同时电流检测电阻23两端产生一个正比于负载电流的交流电压，该电压经运算放大器8放大、整流、滤波后送比较器14的反向输入端，由于该电压大于比较器14的同向输入端设定电压，比较器14的输出端为低电位，晶体管16处于截止状态，继电器线圈17不能得电，继电器触点18处于断开状态，没有漏电流，因此，该保护器不影响灯光系统的正常运行；当C、D端负载回路开路时(例如灯丝烧断或回路断线等)，C、D两端的峰值电压一定大于50V，双向触发二极管20被击穿，双向可控硅19被触发导通，隔离变压器次级被短路，处于空载运行状态，同时电流检测电阻23两端电压为“0”，导致比较器14的输出端翻转为高电位，晶体管16饱和导通，继电器线圈17得电，继电器触点18闭合，双向可控硅19被旁路，完成保护动作，该状态将一直保持到调光器关机。调光器重新开机后，保护器功能恢复正常。

本发明为一个完全水密、气密的整体，内部元件用环氧树脂浇灌。整机功耗极小，没有发热元件；同时有保温措施防止天气过于寒冷造成半导体元件性能恶化。微型电源变换器中微型变压器的负载有足够大的能量释放元件，永远不会让次级开路运行；电压检测电路、逻辑控制电路都是微功耗电子元件不会发热；半导体开关采用了大电流、高耐压功率元件(1000V，60A)，虽然保护瞬间功率可达十几瓦，但只工作片刻便由机械触点开关代替，整个保护期间功率为零，不会发热；与其它电子元件相比，机械触点开关本该是寿命最短的元件，但由于精心的设计，机械触点开关是在半导体开关饱和导通后才闭合，相当于“零电压”开通，而机械触点开关断开是在恒流调光器先关机，再经短暂延迟后才动作，保证了“零电流”断开，因此在任何情况下，机械触点开关不产生电弧，保证了其电气和机械寿命。即使每天每个隔离变压器次级卤钨灯烧断一次，即保护动作一次，机械触点开关的寿命亦可达到270年以上，考虑到电子元件和微型变压器的寿命，保护器的平均寿命也能达到25年以上，更何况灯光系统不是24小时连续工作制，可见该保护器是可靠的和免维护的。

Claims (5)

1、一种机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，串联接在卤钨灯和隔离变压器之间，其特征在于包括由机械触点开关和半导体开关并联而成的主开关(100)、微型电源变换器(200)、并联在开关两端的电压检测电路(300)、串联于卤钨灯负载电路中的电流检测电路(400)以及由运算放大器构成的电流检测放大、整流和比较器及继电器驱动电路(500)，其中所述的主开关(100)并联接在隔离变压器次级的卤钨灯负载两端；所述的微型电源变换器(200)，其初级与隔离变压器的次级、卤钨灯负载串联构成隔离变压器次级回路；其次级则连接整流桥、电容滤波和稳压管，提供单电源和/或正/负双电源供电；所述的电压检测电路(300)并联于主开关(100)的两端；所述的电流检测电路(400)则与卤钨灯负载串联；所述的由运算放大器构成的放大、整流和比较器及继电器驱动电路(500)的输入端连接所述的电流检测电路(400)，输出端连接所述的主开关(100)的机械触点开关(继电器)的线圈；该保护器通过A、B输入端接隔离变压器次级，C、D输出端接卤钨灯，当C、D端负载回路工作正常时，C、D两端的峰值电压小于50V，低于双向触发二极管(20)的击穿电压，双向可控硅(19)处于截止状态，漏电流小于1mA，同时电流检测电阻(23)两端产生一个正比于负载电流的交流电压，该电压经运算放大器(8)放大、整流、滤波后送比较器(14)的反向输入端，由于该电压大于比较器(14)的同向输入端设定电压，比较器(14)的输出端为低电位，晶体管(16)处于截止状态，继电器线圈(17)不能得电，继电器触点(18)处于断开状态，没有漏电流，因此，该保护器不影响灯光系统的正常运行；当C、D端负载回路开路时，C、D两端的峰值电压一定大于50V，双向触发二极管(20)被击穿，双向可控硅(19)被触发导通，隔离变压器次级被短路，处于空载运行状态，同时电流检测电阻(23)两端电压为“0”，导致比较器(14)的输出端翻转为高电位，晶体管(16)饱和导通，继电器线圈(17)得电，继电器触点(18)闭合，双向可控硅(19)被旁路，完成保护动作，并一直保持到所述调光器关机。

2、根据权利要求1所述的机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，其特征在于所述的主开关可以由继电器与双向可控硅、整流桥+单向可控硅、整流桥+IGBT、整流桥+功率场效应管和/或整流桥+功率晶体管电路构成。

3、根据权利要求2所述的机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，其特征在于所述的电压检测电路由适用于半导体开关电路的双向触发二极管和/或稳压管构成；或者由适用于带整流桥的半导体电路的单晶管、晶体管和/或运算放大器构成。

4、根据权利要求3所述的机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，其特征在于所述的由运算放大器构成的电流检测放大、整流和比较器及用于驱动继电器的电路，其结构包括电阻式、电流传感器式和/或电流变送器式，电阻式与电流传感器式检测电路输出交流信号，经过整流和滤波后送到比较器电路；电流变送器式则输出4~20mA DC标准信号，通过电阻转换成电压信号送到比较器电路。

5、根据权利要求1所述的机场助航灯恒流调光系统灯丝开路保护器，其特征在于采用的外壳为一个完全水密气密的、能耐酸、碱、油类和机场土壤中其它常见化学物质侵蚀的整体，内部元件用环氧树脂浇灌和发泡保温，再用MH-T6010-1999标准规定的合成橡胶材料包封成圆柱状，左端为标准双芯插头，用于连接隔离变压器的次级引出线插座，右端为标准双芯插座，用于连接灯具插头。

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