ITTO970545A1 - Dispositivo automatico di protezione da sovracorrente per linee elet- triche a corrente continua. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo automatico di protezione da sovracorrente per linee elettriche a corrente continua"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo automatico di protezione da sovracorrente per una linea elettrica di' distribuzione della corrente continua, del tipo definito nell'introduzione della rivendicazione 1.

Come è noto nel campo della tecnica delle regolazioni e dei controlli su circuiti elettrici di elevata potenza, ed in particolare nel caso della distribuzione della corrente continua nelle linee di alimentazione per i locomotori ferroviari, i dispositivi di-protezione da sovracorrente sono realizzati attualmente con interruttori unipolari, comandati da un apparato di controllo di tipo elettromagnetico. Questi interruttori sono in grado di sopportare, attraverso i propri contatti principali, correnti continue dell'ordine di qualche kiloampère a tensioni di alcuni kilovolt; quando la corrente continua eccede un valore limite di sicurezza prefissato, l'apparato di controllo provoca l'apertura dell'interruttore agendo su un dispositivo di sgancio collegato ai contatti principali.

Tale apparato di controllo è costituito da un nucleo magnetico attorno al quale sono formati un primo ed un secondo-avvolgimento elettrico·,impiegati rispettivamente per la chiusura e per la ritenuta in posizione chiusa dei contatti principali, ed un terzo avvolgimento (in alcuni casi può essere anche una semplice spira) ottenuto direttamente dalla^Tinea di alimentazione, ed avvolto in senso contrario a quello delle altre due bobine. Gli avvolgimenti di chiusura e di ritenuta sono controllati da una serie di contatili ausiliari dell'interruttore. Il primo avvolgimento viene temporaneamente attivato quando occorre chiudere l'interruttore, il secondo per mantenerlo in posizione di chiusura, fino a quando l'intensità della corrente che percorre la linea non supera un valore di sicurezza prestabilito. Ciascuno di questi avvolgimenti, quando i propri contatti ausiliairi sono chiusi e in esso circola corrente, genera nel nucleo un flusso magnetico ed una corrispondente forza che determina la chiusura, o rispettivamente la ritenuta in posizione chiusa, dei contatti principali.

Quando i contatti principali dell'interruttore sono stati chiusi dall'intervento dell'avvolgimento di chiusura, questo viene diseccitato,mentre contemporaneamente viene eccitato l'avvolgimento di ritenuta. Nella tecnica attuale, quest'ultimo è alimentato da un generatore di corrente continua'stabilizzata. E' possibile fissare il punto di taratura del dispositivo di manovra per l'interruttore regolando preventivamente una appropriata corrente di ritenuta in tale avvolgimento, nel caso più semplice attraverso un comune reostato, in modo da eccitare un flusso magnetico di intensità voluta e costante da opporre a quello ricavato dalla linea. Circolando corrente lungo la linea di alimentazione, infatti, il suddetto terzo avvolgimento che essa forma attorno al medesimo nucleo màgnetièo dell'interruttore genera, a sua volta,· un flusso di intensità proporzionale alla corrente stessa, ma in senso contrario a quello generato dall'avvolgimento di ritenuta. L'interruttore resta chiuso fintanto che l'intensità di questo :flusso è minore dell'intensità del flusso generato dall'avvolgimento di ritenuta; in caso contrario il campo magnetico prodotto dall'elevata corrente sulla linea non è più compensato dal campo opposto ed agisce sul dispositivo di sgancio provocando l'apertura dei contatti.

Una volta ripristinata sulla linea una corrente inferiore alla soglia di sicurezza, o trascorso comunque un periodo di attesa sufficiente alla manutenzione della linea stessa o dell'interruttore, quest'ultimo può essere-richiuso eccitando 1'avvolgi-' mento di chiusura. Questo stato viene quindi mantenuto nei tempo diseccitando tale avvolgimento ed eccitando, come descritto, quello di ritenuta.

Il maggiore inconveniente di tale soluzione è dato proprio dal sistema di taratura e controllo della sovracorrente sulla linea. Può accadere, non di rado, che l'interruttore si apra anche quando la corrente di alimentazione non ha oltrepassato alcuna soglia di sicurezza, ma a causa di una errata taratura, o‘meglio, é causa della perdita del riferimento originario. Questo succede poiché tale riferimento è ottenuto indirettamente per mezzo di una corrente elettrica che può essere poco precisa e stabile nel tempo.( Imprecisioni nel circuito ausiliario di ritenuta nascono poiché non è possibile ottenere una tensione campione sufficientemente accurata per mezzo dell'alimentatore impiegato, il reostato utilizzato per definire la corrente nelle spire è soggetto a invecchiamento e usura, ed eventuali variazioni termiche incidono modificando le proprietà elastiche del dispositivo di sgancio. Inoltre, le condizioni del traferro del nucleo, che può variare continuamente le proprie dimensioni e proprietà con il tempo (ad esempio può sporcarsi), possono provocare variazioni del campo magnetico' di riferimento"ne'cessario a bilanciare quello prodotto dalla corrente continua della linea di alimentazione. Tutti questi fattori concorrono a rendere estremamente instabile il sistema di impostazione della soglia di"sicurezza, provocando malfunzionamenti dell'interruttore. Per questi motivi è necessaria una periodica taratura dei dispositivi di controllo, impegnando una squadra di tecnici per un intervento sulla linea che richiede notevole dispendio di tempo.Questo fatto, unitamente al-‘ costo delle apparecchiature impiegate, rende' economicamente onerosa la gestione del sistema di taratura.

Scopo dell'invenzione è realizzare un sistema di controllo per il dispositivo di sgancio di tale interruttore in cui il riferimento per la protezione da sovracorrenti sia regolabile con maggiore semplicità, e sia contemporaneamente affidabile e preciso nel tempo, permettendo di risparmiare così sui lunghi tempi di taratura e sulle costose apparecchiature necessarie .

Un altro scopo dell'invenzione è realizzare un sistema di controllo in grado di distinguere tra pericolose situazioni in cui nasce una extracorrente di elevata intensità, e condizioni operative di temporaneo sovraccarico· sulla linea, segnalando separatamente i due eventi, comandando un intervento istantaneo nel primo caso, e aprendo l'interruttore solo dopo un opportuno ritardo nel secondo. Situazioni di sovraccarico di breve durata possono infatti verificarsi in particolari occasioni; ad esempio quando più locomotori alimentati dalla stessa linea richiedono un surplus di energia in fase di spunto. In tali,condizioni è un vantaggio che la linea sia in grado di fornire la sovracorrente richiesta, purché di poco sùperiore alla soglia, evitandosi un inopportuno scatto dell'interruttore e provocandone l'apertura automatica solo quando il dispositivo di controllo si accorge che tale corrente in eccesso perdura a lungo nel tempo.

Ulteriore scopo dell'invenzione è rendere possibile il conteggio e la segnalazione del numero di aperture dell'interruttore,per ottenere facilmente informazioni sul funzionamento della linea e sulla necessità di interventi di manutenzione.

Secondo l'invenzione questi scopi sono raggiunti da un dispositivo automatico di protezione secondo la rivendicazione 1. In un tale dispositivo la corrente continua sulla linea di alimentazione viene rilevata da un sensore ad hoc e tradotta in un segnale di misura a bassa tensione (dell'ordine'di qualche vòlt)' che viene elaborato in seguito da un circuito elettronico, per azionare un'apposito attuatore di comando dei contatti dell'interruttore. Il confronto con le soglie di sicurezza al fine di determinare i casi di sovraccarico ed extracorrente è attuato dal circuito elettronico mediante una semplice comparazione tra il segnale di misura prodotto dal sensore e due corrispondenti tensioni di riferimento impostate manualmente nel procedimento di taratura e ricavate da un generatore di tensioni stabilizzato. Il medesimo circuito, mediante un modulo di ritardo e mediante un modulo contatore, permette di gestire 1'intervento posticipato dell'interruttore nei casi di prolungata condizione di sovraccarico e di tenere conto elei numero di volte in cui ne viene comunque comande.ta l'apertura automatica.

Leicaratteristiche, gli scopi ed i vantaggi di cui sopra verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di un suo modo di realizzazione, dato a titolo di esempio indicativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è uno schema a blocchi indicativo della struttura dell'intero dispositivo di protezione accoppiato -alla linea;

le.figura 2 è uno schema a blocchi del circuito elettronico di elaborazione del dispositivo di figura 1.

In figura 1 è descritta la struttura a blocchi di un dispositivo automatico di protezione secondo l'invenzione. E' raffigurata una linea elettrica di alimentazione ad alta tensione 10 per locomotori ferroviari lungo la quale è interposto un interruttore 12 per controllare l'inserzione della corrente continua.'L'interruttore 12 è comandato da un apparato di controllo 14, comprendente un sensore 20 per la misura dell'intensità della corrente sulla linea, quale, ad esempio, un sensore ad effetto Hall, un circuito elettronico 22 per il trattamento del segnale di misura VH proveniente dal sensore 20, ed un relè di sgancio 23. Tale circuito 22 pilota, attraverso tale relè 23, una bobina di sgancio 24 dell'interruttore 12 destinata ad operare sui suoi contatili principali. Questo dispositivo è fornito anche di un insieme di mezzi di segnalazione 26 predisposti per produrre informazioni circa le condizioni operative dell'interruttore,ai fini della sua manutenzione.

Il funzionamento del dispositivo è descritto con riferimento alla figura 2- in·cui è riportata, in' dettaglio, la struttura a blocchi del circuito elettronico di elaborazione 22. Il sensore 20 rileva il campo magnetico prodotto dalla corrente continua nella linea di alimentazione 10, e fornisce in uscita un segnale di misura VH linearmente proporzionale ad esso, e quindi alla stessa corrente. L'impiego di un sensore di questo tipo permette un isolamento galvanico tra la linea ad alta tensione ed il restante apparato di controllo e consente di fornire in ingresso 'a quest'ultimo un segnali più agevolmente "trattabile ". Infatti, mentre la linea di alimentazione opera a tensioni elevate di circa 9,3 kV con correnti circolanti dell'ordine di 2-4 kA, il segnale di misura VH è dell'ordine di alcuni volt e la corrente richiesta dal circuito elettronico 22 è al massimo di qualche milliampere. Il segnale di tensione VH viene quindi depurato delle componenti ad alta frequenza attraverso un filtro passa-basso 30, ed amplificato da un circuito amplificatore 32. Un generatore di tensioni stabilizzate con compensazione in temperatura 34 fornisce due tensioni di riferimento VS1 e Vs2 corrispondenti alle soglie di definizione delle diverse condizioni di sovracorrente. Un valore di soglia massimo Vs,per la protezione istantanea da extracorrenti" viene impostato secondo le caratteristiche della linea da proteggere; un valore di soglia intermedio Vs2 per la protezione da sovraccarichi di lunga curata può essere regolato manualmente dall'esterno tramite un selettore 36.Conoscendo la caratteristica della tensione VH in funzione dell'intensitc. di corrente lungo la linea 10 è possibile tarare accuratamente il generatore e regolare la tensione di riferimento Vs2 leggendo direttamente sul selettore gli equivalenti valori della coerente che si vuole controllare.

Il cuore del circuito di elaborazione 22 è costituito da due rami operanti in parallelo e destinati rispettivamente al controllo della condizione di extracorrente o di sovraccarico.

La porzione di confronto destinata a rilevare extracorrenti è costituita da un circuito comparatore di soglia 40 che riceve ad un primo ingresso 41 il segnalo di misura proveniente dal sensore 20 filtrato ed amplificato e ad un secondo ingresso 42 la tensione di soglia costante preselezionata Vs, fornita dal generatore 34. All'uscita 43 è fornito un segnale digitale 44, risultato del confronto, che è direttamente riportato all'ingresso S1 di un primo circuito di memoria 47 (di tipo latch), e ne comanda il funzionamento. Per valori sotto'soglia della corrènte continua Bulla linea di alimentazione il segnale S, non muta il valore già memorizzato nel circuito 47, mentre in caso contrario viene forzato in esso il valore logico corrispondente allo stato di extracorrente; questo valore appare come segnale d'uscita 48 del latch e viene indirizzato, come vedremo meglio nel seguito della descrizione, a comandare la bobina di sgancio 24 dell'interruttore 12, tramite il relè di sgancio -23. Contemporaneamente il circuito latch 47 comanda anche un primo led 49 per la segnalazione dell 'intervento occorso (apertura dell'interruttore a causa-di una extracorrente presente sulla linea). Per ripristinare lo stato di normale funzionamento, disattivando cioè il comando di sgancio per l'interruttore;, è necessario azzerare il contenuto del circuito di memoria 47, agendo sul suo comando di RESET R,.

Le.porzione circuitale di confronto destinata a rilevare sovraccarichi è realizzata per attendere 1'estinguersi di tali condizioni, se di breve durata, e per eccitare la bobina di sgancio soltanto dopo un certo ritardo, che può essere fisso o variabile, a seconde,della realizzazione preferita. Essa è costituita da un circuito comparatore 50 i cui ingressi 51 e 52 ricevono rispettivamente il segnale proveniente dal sensore 20 e la tensione di soglia costante preselezionata Vs2 dal generatore 34. All'uscita del comparatore 53 il segnale 54 comanda, attraverso un circuito di ritardo 55, l'ingresso S2 di un secondo circuito di memoria 57 uguale al primo (47), secondo le medesime modalità. Contemporaneamente il circuito latch 57 pilota anche un secondo led 59 per la segnale.zione dell'intervento occorso (apertura dell 'interruttore a causa di un persistente sovraccaricò presente sulla linea). Per ripristinare lo stato di normale funzionamento, disattivando cioè il comando-di sgancio per l'interruttore, è necessario azzerare il contenuto del circuito di memoria 57, agendo sul suo comando di RESET R2.

In una prima forma di attuazione, a ritardo fisso, il circuito comparatore 50 è un semplice comparatore di soglia, che produce un segnale logico 54, ed il circuito di ritardo fisso 55 può essere realizzato confrontando il segnale d'ingresso 54 presente in tempo reale con lo stesso segnale d’ingresso ritardato di un tempo fisso predeterminato, ad esempio per mezzo di un contatore, e segnalando in uscita una condizione di sovraccarico continuato quando entrambi i segnali indicano il superamento della soglia Vs2.

In una seconda forma di attuazione, a ritardo variabile, il circuito comparatore 50 è un amplificatore differenziale ed il segnale in uscita 54 è ancora un segnale analogico,''la cui ampiezza è direttamente legata all'entità del sovraccarico presente sulla linea. Il circuito di ritardo 55 che segue è in grado di amministrare un ritardo variabile ed inversamente proporzionale all'ampiezza del suo segnale d'ingresso 54, ad esempio per mezzo di un condensatore, e di fornire in uscita un segnale 56 come comando al secondo circuito di memoria 57.

Dotando il circuito 22 di un selettore 60 è possibile inoltre scegliere tra un comando di RESET automatico, come viene descritto nel seguito, oppure un comando di RESET manuale, che richiede l'intervento diretto dell'operatore, ad esempio mediante un apposito pulsante di ripristino 62.

Uria porta logica 70 di tipo NOR raccoglie le informazioni sullo stato della linea di alimentazione 10 elaborate da entrambe le porzioni del circuito 22 ricevendo le variabili logiche memorizzate nei circuiti di memoria 47 e 57 tramite i corrispondenti segnali, d'uscita 48 e 58, e genera un segnale di comando 72 per il relè di sgancio 23; il relè 23 comande·., a sua volta l'eccitazione della sgancio 24 mediante un segnale 73.

Tale segnale di comando 72 viene inoltre impiegato come ingresso ad un circuito temporizzatore 74 e ad un contatore 76. Il circuito temporizzatore 74 riceve il segnale di comando 72 come proprio segnale di START ed inizia un conteggio per far trascorrere un lasso di tempo predefinito cosi da permettere l'estinguersi del transitorio di apertura dell'interruttore (dovuto ad inerzie del dispositivo elettromeccanico)^ ed al termine del quale pilota un segnale di RESET automatico per gli elementi di memoria 47 e 57, attivabile commutando opportunamente il selettore 60. Il circuito contatore 76 tiene memoria del numero dei comandi inviati alla bobina di sgancio dell'interruttore, verosimilmente corrispondenti al numero di aperture di quest'ultimo, ed incrementa il conteggio di una unità ogni qualvolta viene attivato tale segnale di comando 72. Il dato memorizzato dal circuito contatore 76 viene ulteriormente confrontato con un valore precedentemente impostato che rappresenta il numero di aperture dell'interruttore ammesse prima che sia necessario un intervento esterno. Quando questo limite viene superato un dispositivo di avviso 78 comunica l'urgenza della manutenzione o della sostituzione dell ' interruttore.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle rivendicazioni che seguono.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo automatico di protezione da sovracorrente per una linea elettrica di distribuzione di corrente continua, comprendente almeno un interruttore (12), comprendente una bobina di sgancio 24, interposto in detta linea (10), e mezzi-circuitali·di-comando (14) atti a provocare automaticamente l'apertura di detto interruttore (12) quando detta corrente continua raggiunge un valore predeterminato, ce.ratterizzato dal fatto che i mezzi circuitali di comando (14) comprendono almeno un sensore (20) atto a generare un segnale di misura a bassa tensione (VH) dipendente dal valore istantaneo della corrente continua presente sulla linea (10), ed un circuito elettronica (22) predisposto per elaborare il segnale di misura (VH) "e per applicare a detta bobina di sgancio (24) dell'interruttore (12) un segnale di comanda -(73) quando il segnale di misura (VH) è indicativo di una sovracorrente.
2. 2. Dispositivo automatico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il circuito elettronico (22) comprende una prima porzione (40, 47) predisposta per provocare l'eccitazione della bobina di sgancio (24) quando il segnale di misura (VH) indica che la corrente continua sulla linea (10) ha superato un valere massimo prefissato, ed una seconda porzione (50, 55, 57) predisposta per provocare l'eccitazione della bobina di sgancio (24) quando il segnale di misura (VH) indica che la corrente continua sulla linea (10) ha superato un valore intermedio prefissato, inferiore a detto valore massimo, per'almeno un pericTdb di tempo prestabilito.
3. 3. Dispositivo automatico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta seconda porzione (50, 55, 57) del circuito elettronico (22) è predisposta per provocare l'eccitazione della bobina di sgancio (24) quando il segnale di misura (VH) indica che la corrente continua sulla linea (10) ha superato detto valore intermedio per un periodo di tempo la cui durata -è fissa.
4. 4. Dispositivo automatico secondo là rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta seconda porzione (50,-55, 57) del circuito elettronico (22) è predisposta per provocare l'eccitazione della bobina di sgancio (24) quando il segnale di misura (VH) indica che la corrente continua sulla linea (10) ha superato detto valore intermedio per un periodo di tempo la cui durata è dipendente dalla differenza tra l'intensità della corrente continua sulla linea (10), indicata dal segnale di misura VH, e detto valore intermedio prefissato.
5. 5. Dispositivo automatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 4, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre primi e secondi mezzi di segnalazione (49, 59) controllati da detto circuito elettronico- (-22-) per-fornire una segnalazione quando il segnale di misura (VH) indica che la corrente continua sulla linea (10) ha superato detto valore massimo e, rispettivamente, detto valore intermedio per il periodo di tempo prestabilito.
6. 6. Dispositivo automatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 5, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre mezzi di taratura (36) atti a consentire l'impostazione di detti valori massimo ed intermedio della corrente continua sulla linea (10).
7. 7. Dispositivo automatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettronico (22) comprende inoltre mezzi di conteggio (76) atti a contare il numero di eccitazioni della suddetta bobina di sganciò (24).
8. 8. Dispositivo automatico secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che comprende terzi mezzi di segnalazione (78) accoppiati a detti mezzi di conteggio (76) atti a fornire un'indicazione quando il numero di eccitazioni della bobina di sgancio (24) ha superato un valore prefissato.
9. 9. Dispositivo automatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 8, caratterizzato dal fatto che detta prima porzione del circuito elettronico (40, 47)-comprende un circuito-comparatore a soglia (40) avente un ingresso (41) collegato all'uscita del sensore (VH), e l'uscita (43) accoppiata alla bobina di sgancio (24) attraverso un primo circuito di memoria ( "latch") (47).
10. 10. Dispositivo automatico secondo la rivendicazione 2 o 4, caratterizzato dal fatto che detta seconda porzione (50, 55, 57) del circuito elettronico (22) comprertde: un circuito amplificatore differenziale (50) con un primo ingresso (51) collegato al sensore (20) ed un secondo ingresso (52) collegato ad un circuito generatore (34) predisposto per fornire un segnale di riferimento costante (Vs2) corrispondente a detto valore intermedio prefissato per la corrente continua in detta linea (10), e un, circuito di ritardo (55) a ritardo variabile il cui ingresso è accoppiato all'uscita di detto amplificatore differenziale (50), e la cui uscita è accoppiata alla suddetta bobina di sgancio (24) tramite un secondo circuito di memoria ("latch") (57).
11. 11. Dispositivo automatico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta seconda porzione (50, 55, 57) del circuito elettronico (22) comprende :: un comparatore di soglia·(50) avente un primoingresso (51) collegato al sensore (20) ed un secondo ingresso (52) collegato ad un circuito generatore (34) predisposto per fornire un segnale di riferimeno costante (Vs2) corrispondente a detto valore intermedio prefissato per la corrente continua in detta linea (10), e ur.circuito di ritardo (55) a ritardo fisso il cui ingresso è accoppiato all'uscita di detto comparatore di soglia (50), e la cui uscita è accoppiataalla suddetta bobina di sgancio (24) tramite un secondo circuito di memoria ("latch") (57).
12. 12. Dispositivo automatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 11, caratterizzato dal fatto che dette prima e seconda porzione (40, 47; 50, 55, 57) dei circuito elettronico (22) sono accoppiate alla bobina di sgancio (24) tramite un circuito di tipo OR od equivalente (70).
13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il segnale di comando (73) della bobina di sgancio (24) viene impartito tramite un relè di sgancio (23).
14. 14. Dispositivo automatico secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettronico (22) comprende inoltre un selettore (60) accoppiato- ad ingressi di reset (R1, R2) di' detti primo e secondo circuito di memoria (47, 57), azionabile fra una posizione operativa di reset manuale ed una posizione operativa di reset automatico.
15. 15. Dispositivo automatico secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che l'uscita di detto circuito di tipo OR o equivalente (70) è accoppiata a detti ingressi di reset (R1, R2) di detti primo e secondo circuito di memoria (47, 57) tramite un dispositivo temporizzatore (74), quando detto selettore è impostato sulla suddetta posizione operativa di reset automatico.
16. 16. Diapositivo automatico secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detti ingressi di reset (R1, R2) di detti primo e secondo circuito di memoria (47, 57) sono accoppiati ad un pulsante di ripristino (62), quando detto selettore è impostato sulla suddetta posizione operativa di reset manuale.