Устройство для обнаружения электрического поля линии электропередачи
Владельцы патента RU 2319159:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт стреловых кранов" (RU)
Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению, а именно к системе обеспечения безопасности работы подъемного крана. Оно может быть использовано для защиты от опасного приближения к линии электропередачи (ЛЭП) стреловых кранов с телескопическими стрелами. Устройство обнаружения электрического поля линии электропередачи содержит антенну и антенный усилитель, причем, по меньшей мере, часть антенны выполнена в виде плоского конденсатора, установленного на поворотном устройстве крана, а токопроводящие пластины плоского конденсатора соединены с входом антенного усилителя. Расположение антенны в виде плоского конденсатора не на оголовке стрелы, а на поворотном устройстве обеспечивает безопасность работы крана и при установке гуська, а также приводит к ряду удобств при эксплуатации, главными из которых являются: малая длина линии связи и исключение барабана для намотки кабеля, что устраняет причины обрыва кабеля в реальных условиях применения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое техническое решение относится к подъемно-транспортному машиностроению, а именно к системе обеспечения безопасности работы подъемного крана. Оно может быть использовано для защиты от опасного приближения к линии электропередачи (ЛЭП) стреловых кранов с телескопическими стрелами.
Уровень техники
Известно устройство обнаружения электрического поля линии электропередачи, содержащее антенный датчик приближения к ЛЭП и антенный усилитель (см. Приборы безопасности грузоподъемных кранов, ред. Сушинского В.А., М., 1996 г., раздел Ш, стр.1-14). В источнике аналог назван универсальный автоматический сигнализатор УАС-1. Антенный датчик состоит из нескольких последовательно соединенных элементов, выполненных в виде петель из изолированного провода. Концы этой цепи присоединены к входу антенного усилителя, выходной сигнал с которого используется для сигнализации.
Принцип действия прототипа заключается в том, что на петлях антенного датчика, имеющих емкость относительно проводов ЛЭП, создается напряжение, которое затем усиливается и используется в блоке сигнализации. Оно должно быть пропорционально рабочему напряжению ЛЭП, чтобы имелась возможность калибровать расстояние до заданной ЛЭП.
Известный антенный датчик имеет ряд существенных недостатков, которые заключаются в следующем:
1. Антенный датчик аналога, кроме емкостной реакции на напряжение ЛЭП, имеет еще и индуктивную реакцию на ток в проводах ЛЭП, так как он состоит из петель (витков) провода. В результате этого полное наводимое в нем напряжение будет зависеть как от напряжения, так и от тока в проводах ЛЭП. Это делает невозможным производить однозначную калибровку расстояния от датчика до заданной ЛЭП, так как ток в проводах изменяется в зависимости от нагрузки на ЛЭП.
2. Антенный датчик приближения к ЛЭП, входящий в состав аналога, имеет по азимуту и углу места неравномерную диаграмму направленности, которая к тому же может изменяться при движении стрелы (или воздействии ветра) вследствие нежесткого закрепления датчика на стреле. Это также не позволяет получить однозначную калибровку датчика и может привести к аварии из-за несрабатывания УАС-1 при приближении датчика к проводам ЛЭП под определенными пространственными углами.
3. Вследствие малой величины поверхности провода такого датчика емкостная связь между ним и проводами ЛЭП будет также мала. Поэтому напряжение, поступающее с датчика на вход усилителя, будет незначительным. В результате сигнал, достаточный для срабатывания УАС-1 от ЛЭП с напряжением 220В, вырабатывается на расстоянии от датчика до проводов ЛЭП, равном 1,5-1,7 м. Такого расстояния для надежного срабатывания сигнализатора при максимальной длине стрелы крана 22-28 м недостаточно для обеспечения безаварийной работы крана, так как колебания напряжения на выходе датчика из-за вышеуказанных факторов могут быть весьма велики и превышать напряжение, соответствующее перемещению датчика на 1,5-2,0 м. Поэтому, например, слабонагруженную ЛЭП или ЛЭП без нагрузки, но под напряжением, такой датчик может вообще не обнаружить.
4. Расположение антенного датчика приближения к ЛЭП на стреле крана приводит к ряду неудобств при эксплуатации, самым главным из которых являются частые обрывы линии связи датчика и сигнализатора в реальных условиях применения, например, при выдвижении стрелы крана, торможении вращения барабана вследствие обледенения или попадания в него посторонних предметов, передвижении крана в непосредственной близости от деревьев и т.д.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство обнаружения электрического поля линии электропередачи «Азон» (см. Приборы безопасности грузоподъемных кранов, ред. Сушинского В.А., М., 1996 г., раздел III, стр.32-34), содержащее антенну и антенный усилитель. Данные признаки совпадают с признаками изобретения.
Антенна состоит из сферического металлического сегмента, укрепленного на диэлектрическом основании, которое установлено на оголовке стрелы. Подключение устройства к исполнительному блоку производится также с помощью кабеля, намотанного на барабан. Прототип имеет более стабильную диаграмму направленности вследствие жесткого закрепления на оголовке стрелы, однако в нем сохраняются основные недостатки вышеописанного аналога.
1. Напряжение на выходе зависит от тока в проводах ЛЭП, так как магнитные силовые линии электромагнитного поля проводов ЛЭП пересекают поверхность металлического сегмента под различными углами, в связи с чем на нем наводятся токи, создающие в конечном счете напряжение на выходе датчика.
2. Неравномерная диаграмма направленности датчика по азимуту и углу места вследствие закрепления его на оголовке стрелы.
3. Малая величина сигнала на выходе, что приводит к недопустимо малому расстоянию срабатывания защиты (1,5 м) от ЛЭП с напряжением 220В.
4. Большая длина кабеля связи антенного усилителя с блоком сигнализации, что приводит к обрывам кабеля. Наличие кабельного барабана также снижает надежность работы устройства.
5. Кроме того, в данном техническом решении добавляется недостаток, который заключается в невозможности использования такого датчика после установки гуська на стреле крана по причине экранировки антенны гуськом.
Эти недостатки приводят к тому, что практическое применение указанного датчика не может обеспечить безаварийную работу крана вблизи ЛЭП.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого решения является обеспечение безаварийной работы крана вблизи ЛЭП.
Указанная задача достигается тем, что устройство обнаружения электрического поля линии электропередачи содержит антенну и антенный усилитель и, по меньшей мере, часть антенны выполнена в виде плоского конденсатора, установленного на поворотном устройстве крана, причем токопроводящие пластины плоского конденсатора соединены с входом антенного усилителя.
Новым в предлагаемом техническом решении является использование плоского конденсатора в качестве антенны, токопроводящие пластины которого соединены с входом антенного усилителя, и установка его на поворотном устройстве крана.
Сравнение предлагаемого решения с прототипом показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков: по меньшей мере, часть антенны выполнена в виде плоского конденсатора, установленного на поворотном устройстве крана, причем токопроводящие пластины плоского конденсатора соединены с входом антенного усилителя.
Плоский конденсатор может быть прикреплен снаружи к кабине крановщика (например, над кабиной, к задней стенке кабины, к одной из боковых стенок, передней стенке).
Токопроводящие пластины плоского конденсатора могут быть соединены с входом антенного усилителя посредством проводов (кабеля, радиоканала связи или посредством пластин конденсатора).
Токопроводящие пластины плоского конденсатора могут быть закреплены на поворотном устройстве под углом между отвесной линией и плоскостью пластины плоского конденсатора, не равным нулю (в частности, под углом 0.01°-90° к отвесной линии).
Обозначим угол между отвесной линией и плоскостью пластины плоского конденсатора через «α». Тогда в формализованном виде способ крепления антенны может быть записан так: антенна выполнена в виде плоского конденсатора, установленного на поворотном устройстве крана под углом α между отвесной линией и плоскостью пластины плоского конденсатора, причем
α≠0,
и при этом токопроводящие пластины плоского конденсатора соединены с входом антенного усилителя.
Токопроводящие пластины плоского конденсатора могут быть закреплены на поворотном устройстве под углом между отвесной линией и плоскостью пластины плоского конденсатора, равным нулю (вертикально).
Ориентация антенны выбирается исходя из условий работы крана. Требование к креплению антенны следующее: антенна должна быть жестко закреплена на поворотном устройстве крана таким образом, чтобы силовые линии электрического поля ЛЭП проходили через пластины антенны (плоского конденсатора).
Отвесная линия - это линия, по которой действует сила тяжести. Отвесная линия в каждой ее точке определяется отвесом (или другим устройством). Отвесная линия плоского конденсатора проходит через плоский конденсатор.
Относительно отвесной линии задается (определяется) пространственное положение плоского конденсатора.
Технические результаты предлагаемого изобретения следующие:
1. Напряжение на выходе устройства не будет зависеть от наличия или отсутствия тока в ЛЭП 6 (см. фиг.1), так как антенна выполнена в виде плоского конденсатора 2 (см. фиг.1 и 2), Токопроводящие пластины которого расположены под углом α, не равным нулю (или равным нулю), к силовым линиям 7 электрического поля проводов ЛЭП 6. Это делает возможным обнаруживать линии электропередачи, по которым проходит ток, а также линии, находящиеся под напряжением, но без тока в проводах.
2. Антенна заявленного устройства имеет по азимуту и углу места равномерную круговую диаграмму направленности, которая не будет изменяться при движении стрелы, так как антенна закреплена на кране не на конце секции стрелы, а на поворотном устройстве крана, например на кабине крановщика.
3. Предлагаемое устройство обнаруживает слабонагруженную ЛЭП или ЛЭП без нагрузки, но под напряжением. Эффективность обнаружения источника электрического поля зависит от характеристик плоского конденсатора, в частности емкости, которая определяется площадью поверхности пластин конденсатора, типа диэлектрика, расстояния между пластинами и углом между отвесной линией и плоскостью конденсатора, а также характеристик антенного усилителя. Это позволяет обеспечить безопасность работы существующих и перспективных отечественных, а также зарубежных стреловых кранов с длиной стрелы до 100 м и более.
4. Расположение антенны в виде плоского конденсатора не на оголовке стрелы, а на поворотном устройстве (например, в области оси вращения поворотного устройства относительно неповоротного устройства крана) приводит к ряду удобств при эксплуатации, главными из которых являются: малая длина линии связи 4 и исключение барабана для намотки кабеля, что устраняет причины обрыва кабеля в реальных условиях применения. Плоский конденсатор (антенна) может быть закреплен на поворотном устройстве крана, в частности прикреплен к кабине крановщика или закреплен на крыше кабины крановщика. Кроме того, антенна может быть расположена (закреплена) на любой другой части поворотного устройства, например на поворотной раме, противовесе, опорно-поворотном устройстве, корпусе лебедки и др. элементах поворотного устройства.
5. Вследствие расположения антенны в заявленном устройстве не на оголовке стрелы обеспечивается безопасность работы крана и при установке гуська.
Исследования показали, что при площади поверхности пластин электрического конденсатора, равной 10-15 дм2, емкостная связь между ним и проводами ЛЭП 6 будет существенно большей (на несколько порядков), чем у антенны прототипа. При этом сигнал с заявленного устройства обнаружения электрического поля ЛЭП для срабатывания сигнализации от ЛЭП с напряжением 220 В вырабатывается на расстоянии от антенны до проводов ЛЭП, равном 30-40 м. Такого расстояния для надежного срабатывания сигнализатора при максимальной длине стрелы крана, равной 22-30 м, достаточно для обеспечения безаварийной работы крана. С увеличением площади поверхности пластин конденсатора увеличивается заряд конденсатора, что приводит к срабатыванию сигнализатора на большем расстоянии.
Краткое описание чертежей. На фиг.1 представлено устройство обнаружения электрического поля ЛЭП, установленное в зоне кабины крановщика 1. На фиг.2 представлен фрагмент крана с устройством обнаружения электрического поля ЛЭП в увеличенном масштабе. Устройство содержит плоский конденсатор 2, антенный усилитель 3, линию связи 4, подключенную к сигнализатору 5. На фиг.3 и 4 представлены возможные рабочие положения антенны относительно силовых линий ЛЭП и отвесной линией 12.
Осуществление изобретения
Устройство обнаружения электрического поля линии электропередачи содержит антенну 2 и антенный усилитель 3, и, по меньшей мере, часть антенны выполнена в виде плоского конденсатора, установленного на поворотном устройстве крана 1 (например, на кабине крановщика) под углом между отвесной линией и плоскостью пластины плоского конденсатора, не равным нулю, причем токопроводящие пластины плоского конденсатора соединены с входом антенного усилителя.
Устройство обнаружения электрического поля ЛЭП работает следующим образом. Провода ЛЭП 6 при наличии на них напряжения создают электромагнитное поле (см. фиг.1 и 2), электрические линии 7 которого вблизи поверхности земли подходят к ней под прямым углом. Пластины плоского конденсатора 2 закреплены на поворотном устройстве таким образом, чтобы силовые линии проходили через пластины (например, под углом между отвесной линией и плоскостью пластины плоского конденсатора, не равным нулю).
Целесообразно располагать антенну под углом α=90°±10° к отвесной линии.
В случае если α=90° электрическое поле проводов, пропорциональное напряжению ЛЭП и перпендикулярное к плоскому конденсатору 2, будет максимально использоваться для создания напряжения между пластинами плоского конденсатора 2. Магнитное поле, создаваемое током в проводах ЛЭП 6, не будет наводить токи на пластинах плоского конденсатора 2, так как находится в плоскости, параллельной пластинам. В результате амплитуда напряжения между пластинами плоского конденсатора 2 не зависит от величины тока в проводах ЛЭП 6 и в соответствии с теорией и практикой электромагнитного поля обратно пропорциональна расстоянию от плоского конденсатора 2 до проводов ЛЭП 6.
Это напряжение поступает на антенный усилитель 3 и далее по линии связи 4 постоянной длины на вход сигнализатора 5, который находится в кабине крановщика 1. Если напряжение превышает порог, выставленный в сигнализаторе в соответствии с типом ЛЭП, на пульте сигнализатора загорается лампочка, подается звуковой сигнал или блокируется движение стрелы. Например, для надежного обеспечения безаварийной работы крана с полностью выдвинутой стрелой и надетым гуськом (общая длина 28 м) вблизи ЛЭП напряжением 220 В порог должен быть такой величины, которую показывает устройство обнаружения электрического поля ЛЭП на расстоянии 30 м от ЛЭП напряжением 220 В.
В случае выполнения угла α из диапазона значений, больших нуля, но меньших 90° (см. фиг.3), потребуется увеличить площадь поверхности пластин плоского конденсатора 2 и/или применить диэлектрик с повышенной диэлектрической проницаемостью. В целом эффективность применения антенны не уменьшится.
На фиг.3 провод ЛЭП 10 и антенна 2 располагаются так, что отвесная линия 12 и пластины конденсатора расположены под углом 45°. Угол обозначен позицией 11.
На фиг.4 провод ЛЭП 10 и антенна 2 располагаются так, что отвесная линия 12 параллельна пластинам конденсатора.
Расположение устройства обнаружения электрического поля ЛЭП в виде плоского конденсатора 2 на кабине крановщика 1 позволяет выполнить его пластины с такой площадью, при которой совместно с антенным усилителем 3 он обеспечит необходимую величину сигнала на входе сигнализатора 5 при расстоянии 30 м и более для ЛЭП с напряжением 220 В.
Диаграмма направленности устройства обнаружения переменного электрического поля ЛЭП в виде горизонтально ориентированного плоского конденсатора 2 имеет в горизонтальной плоскости вид окружности, т.е. прием сигналов со всех азимутальных направлений одинаков, что обеспечивает постоянную амплитуду напряжения на плоском конденсаторе 2 при изменении угла направления на ЛЭП. При расположении проводов ЛЭП 6 сверху над плоским конденсатором 2 обнаружение их будет происходить на таком же расстоянии, как и в горизонтальном направлении.
Таким образом, предлагаемое техническое решение не только устраняет все недостатки прототипа, но и при его использовании вокруг крана создается полусфера безопасности 8 с радиусом 9, например, на 2 м большим, чем максимальная длина стрелы крана, что предохраняет не только стрелу, но и трос с грузом от соприкосновения с электрическими проводами.
1. Устройство обнаружения электрического поля линии электропередачи, содержащее антенну и антенный усилитель, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть антенны выполнена в виде плоского конденсатора, установленного на поворотном устройстве крана, причем токопроводящие пластины плоского конденсатора соединены с входом антенного усилителя.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоский конденсатор прикреплен снаружи к кабине крановщика.
