Устройство для защиты оборудования от перенапряжений

 

Изобретение относится к электротехнике - к схемам защиты оборудования связи от напряжения на линии выше нормального. Технический результат заключается в обеспечении оптимальной защиты между любыми проводами N-проводной линии за счет раздельной установки пороговых напряжений срабатывания защиты для синфазных и дифференциальных перенапряжений. Для этого устройство содержит первую ступень защиты на газонапоненных разрядниках, соединенных с входными выводами. Вторая ступень - на соединенных многолучевой звездой с числом лучей (N+1) двустронних полупроводниковых ограничителях напряжения - симметричных диодных тиристорах, варисторах или двусторонних стабилитронах. N лучей звезды из полупроводниковых ограничителей напряжения имеют одинаковые параметры и подсоединены к выходным выводам для обеспечения одинаковых напряжений срабатывания защиты от дифференциальных перенапряжений. Конец (N+1)-го луча звезды соединен с выводом заземления, и вместе с соответствующими лучами из остальных N лучей образована защита от синфазных перенапряжений. При перенапряжениях сначала включаются полупроводниковые ограничители напряжения, затем срабатывают соответствующие разрядники. При синфазных перенапряжениях между землей и какими-либо проводами линии срабатывают (N+1)-й полупроводниковый ограничитель напряжения, соединенный с выводом заземления, и соответствующие полупроводниковые ограничители напряжения из N остальных. При дифференциальных перенапряжениях между проводами линии срабатывают только связанные с ними соответствующие полупроводниковые ограничители напряжения из N, без (N+1)-го. Исключаются ложные срабатывания защиты при безопасных напряжениях. Обеспечивается оптимальная защита для всех проводов линии. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к схемам защиты телекоммуникационного оборудования от избыточного напряжения на линиях связи, реагирующим на напряжение выше нормального, без отключения защищаемого оборудования от линий связи.

Известны устройства защиты оборудования связи от избыточного напряжения [1] , [2] . Для защиты оборудования от токов высокого напряжения такое устройство содержит трехэлектродный газонаполненный разрядник, два вывода которого соединены с входными выводами устройства, предназначенными для подключения к линии связи, а третий вывод соединен с заземлением. Его недостатком является недостаточно высокое быстродействие и ограниченные функциональные возможности, так как он предназначен только для двухпроводных линий. При кратковременных импульсах перенапряжений на линии электронное оборудование может выйти из строя до того, как сработает защита.

Известно также устройство защиты оборудования связи от избыточного напряжения [3]. Это устройство содержит разрядник и полупроводниковые приборы - варисторы, терморезисторы. Его недостатком является ограниченные функциональные возможности, так как он предназначен только для двухпроводных линий.

Известно также устройство защиты от грозовых импульсов перенапряжений двухпроводной линии связи [4]. Это устройство содержит включенные в каждый из проводов разрядник, который соединен с каждым из входных выводов и контуром заземления, разделительные электрические сопротивления, выполненные в виде дросселей, включенных последовательно в каждый из проводов, двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения, подсоединенные между выходными клеммами и заземляющим контуром. Его недостатком является также ограниченные функциональные возможности, так как он предназначен только для двухпроводных линий связи.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для защиты от перенапряжений по патенту США [5].

Такое устройство по схеме (фиг.1) содержит два входных сигнальных вывода 1, 2 для подключения к проводам линии связи, два выходных сигнальных вывода 3, 4 для подключения защищаемого оборудования, вывод 5 для подключения заземления, первую ступень защиты 6 на газонаполненном разряднике 7, подсоединенном к входным сигнальным выводам 1, 2, вторую ступень защиты 8 на варисторе 9, разделительные электрические сопротивления 10, 11.

Согласно патенту [5] для защиты системы, показанной на фиг.2, связь между объектами 12, 13, 14 выполнена посредством четырехпроводных линий. Для связи между объектами 12 и 13 использовано два двухпроводных кабеля 15 и 16. Для связи между объектами 13 и 14 использовано два двухпроводных кабеля 17 и 18. Один из двухпроводных кабелей предназначен для передачи, а второй для приема. Для каждого двухпроводного кабеля используется по отдельному такому устройству защиты - 19, 20 и 21, 22, подключенному соответственно к каждому из двухпроводных кабелей 15, 16 и 17, 18. Недостатком такой защиты является отсутствие защиты от возможных перенапряжений между самими двухпроводными кабелями, например, между 15 и 16, или между 17 и 18. Возможен электрический пробой между самими устройствами защиты 19 и 20 или между 21 и 22, или между парами проводов 15, 16 или 17, 18.

Кроме того, указанные в этом патенте устройства защиты имеют ограниченные функциональные возможности, так как они предназначены только для двухпроводных линий, и для каждой пары проводов необходимо отдельное устройство защиты.

Другой недостаток заключается в том, что при таком техническом решении не оптимизированы пороговые напряжения срабатывания защиты оборудования от дифферециальных перенапряжений, т.е. от перенапряжений, непосредственно между двумя или более проводами линии связи, и от синфазных перенапряжений, т. е. перенапряжений между заземлением и проводами линии связи. Пороговые напряжения срабатывания защиты от дифферециальных и от синфазных перенапряжений в общем случае должны быть независимыми, и могут значительно различаться по величине, но решение по патенту этого не обеспечивает. Оба вида указанных перенапряжений на линии связи могут возникать между различными проводами в любых сочетаниях как по отдельности, так и одновременно. Во многих случаях величина допустимых для оборудования синфазных напряжений значительно больше, чем для дифферециальных. Данное решение не позволяет реализовать устройство с оптимальными порогами срабатывания защиты, которое могло бы удовлетворять указанным требованиям.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков; в повышении надежности защиты за счет введения дополнительной защиты от перенапряжений между любыми без исключения проводами линии связи и за счет оптимизации порогов срабатывания защиты от повышенных синфазных и дифференциальных напряжений; в расширении функциональных возможностей с целью обеспечения защиты оборудования, подключенного к многопроводной линии связи, одним устройством защиты, вместо традиционно применяемых нескольких известных устройств, предназначенных для двухпроводных линий.

Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении защищенности оборудования от перенапряжений между любыми проводами линии связи и повышении безопасности обслуживания за счет оптимизации его пороговых напряжений срабатывания защиты от перенапряжений на линии связи, в зависимости от допустимых величин синфазных и дифференциальных напряжений на подключаемых к линии связи выводах оборудования, благодаря чему исключаются ложные срабатывания защиты при безопасных уровнях напряжения на линии связи, а также в уменьшении сложности систем защиты.

Для достижения указанного технического результата устройство для защиты оборудования от перенапряжений, содержащее: N входных сигнальных выводов для подключения к проводам линии связи; N выходных сигнальных выводов для подключения защищаемого оборудования; вывод заземления; первую ступень защиты на газонаполненных разрядниках, подсоединенных ко входным сигнальным выводам; вторую ступень защиты на подсоединенных к выходным сигнальным выводам двусторонних полупроводниковых ограничителях напряжения; N разделительных электрических сопротивлений, каждое из которых одним выводом соединено с одним из входных сигнальных выводов, а вторым выводом соединено с соответствующим выходным сигнальным выводом, выполнено следующим образом, отличающим его от известного.

Двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения второй ступени защиты соединены между собой в виде многолучевой звезды с числом лучей, равным (N+1), конец каждого из N лучей подсоединен к одному из N выходных сигнальных выводов, а конец (N+1)-го луча звезды, не подсоединенного ни к одному из сигнальных выводов, соединен с выводом заземления. При этом двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения, принадлежащие тем N лучам звезды, концы которых соединены с выходными сигнальными выводами устройства, имеют одинаковые характеристики и электрические параметры.

Признаки, отличающие предлагаемое устройство от известного, заключаются в электрическом соединении двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения второй ступени в виде многолучевой звезды, число лучей которой на один луч больше, чем число проводов линии передачи и соответствующих сигнальных входов устройства защиты. При этом один из лучей этой звезды соединен с выводом заземления, а каждый из остальных лучей соединен с одним из выходных выводов, а характеристики и параметры не соединенных с выводом заземления двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения одинаковы.

Согласно изобретению в частном случае исполнения газонаполненные разрядники первой ступени защиты соединены между собой в виде многолучевой звезды с числом лучей, равным (N+1), и конец каждого из N лучей подсоединен к одному из N входных сигнальных выводов, а конец (N+1)-го луча звезды, не подсоединенного ни к одному из сигнальных выводов, соединен с выводом заземления, причем газонаполненные разрядники, принадлежащие тем N лучам звезды, концы которых соединены с входными сигнальными выводами устройства, имеют одинаковые характеристики и электрические параметры. Такое однотипное выполнение схем первой и второй ступеней защиты упрощает их расчеты и согласование рабочих режимов.

В частном случае исполнения также предусмотрено, что в качестве двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения использованы варисторы. Такое решение приемлемо в случаях, когда не требуется обеспечивать повышенное быстродействие.

В частном случае исполнения также предусмотрено, что в качестве двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения использованы двусторонние стабилитроны. Такое решение приемлемо в случаях, когда их относительно большая электрическая емкость, как конденсатора, не будет оказывать влияния на полосу пропускания линии и ожидаемые перенапряжения будут кратковременными, не приводящими к их перегреву.

В частном случае исполнения предусмотрено также, что в качестве двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения использованы полупроводниковые приборы с характеристиками симметричных диодных тиристоров. При их малой паразитной емкости и малом падении напряжения во включенном состоянии они применимы при более высоких частотах передачи информации; они меньше, чем стабилитроны, разогреваются от перенапряжений, и, по сравнению с варисторами, обычно имеют большую долговременную стабильность параметров при многократных срабатываниях.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг.1 изображена схема устройства защиты от перенапряжений, описанная в патенте [5].

На фиг. 2 изображена схема, аналогичная описанной в патенте [5] системы связи с четырехпроводной линией связи между объектами с применением для каждой пары проводов по одному устройству защиты 19-22, аналогичному показанному на фиг.1.

На фиг.3 изображена схема электрическая устройства защиты по изобретению для шестипроводной линии связи.

На фиг.4 изображена схема системы связи с четырехпроводной линией связи между объектами, аналогичная показанной на фиг.2, но с применением согласно изобретению по одному устройству защиты для четырех проводов каждой из линий связи.

На фиг. 5 изображена схема устройства защиты оборудования для частного случая четырехпроводной линии связи с применением проволочных резисторов и двусторонних стабилитронов.

На фиг. 6 изображена схема устройства защиты оборудования для частного случая четырехпроводной линии связи с применением постоянных резисторов и варисторов.

Схема электрическая устройства защиты по изобретению для шестипроводной линии связи, изображенная на фиг.3, может быть применена для линий с тремя парами проводов, из которых одна служит для передачи, вторая - для приема, третья - для контроля или управления, например для необслуживаемого объекта.

Выводы 23-28, предназначенные для подключения к линии связи, являются входными выводами устройства защиты. Через них поступают полезные сигналы и появляющиеся на линии перенапряжения. В частном случае такая линия связи между объектами может содержать одну пару проводов для передачи сигналов, вторую пару проводов для приема сигналов, и третью пару проводов для контроля и диагностики необслуживаемого оборудования, например, регенераторов на линиях связи.

Выходные выводы 29-34 устройства защиты предназначены для подключения входных или выходных выводов защищаемого оборудования. Вывод 35 предназначен для подключения заземления.

Первая ступень защиты 36 содержит газонаполненные разрядники 37-43, соединенные между собой в виде семилучевой звезды. Конец каждого из шести лучей, образованных газонаполненными разрядниками 37-42 соединен с одним из шести входных выводов 23-28 устройства. Конец седьмого луча звезды с разрядником 43 соединен с выводом 35 для подключения заземления. Входные выводы 23-28 устройства соединены также с первыми выводами разделительных электрических сопротивлений 44-49, у которых вторые выводы соединены с соответствующими выходными выводами 29-34 устройства. В качестве разделительных электрических сопротивлений 44-49 использованы элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления, например, позисторы, у которых при нагреве протекающим через них при перенапряжениях током увеличивается сопротивление.

Вторая ступень защиты 50 содержит симметричные диодные тиристоры 51-57 или аналогичные полупроводниковые приборы с характеристиками симметричных диодных тиристоров, соединенные между собой, согласно изобретению, в виде семилучевой звезды. Конец каждого из шести лучей, образованных симметричными диодными тиристорами 51-56, соединен с одним из шести выходных выводов 29-34 устройства. Конец седьмого луча звезды с симметричным диодным тиристором 57 соединен с выводом заземления 35. Напряжение включения симметричных диодных тиристоров 51 - 56 выбирается с учетом допустимых для оборудования дифференциальных напряжений. При этом также учитывается, что между любой парой входных выводов через два разделительных сопротивления подсоединено два последовательно соединенных симметричных диодных тиристора из обозначенных номерами 51-56. Напряжение включения симметричного диодного тиристора 57 выбирается с учетом допустимых для оборудования синфазных напряжений. При этом также учитывается, что между любым из входов 23-28 и выводом заземления 35 через одно из разделительных сопротивлений 45-50 подсоединены последовательно соединенные симметричный диодный тиристор 57 и один из симметричных диодных тиристоров, обозначенных номерами 51-56.

Симметричные диодные тиристоры 51-56 имеют одинаковые параметры, вследствие чего обеспечиваются равные пороговые напряжения срабатывания защиты от поступающих на устройство дифференциальных перенапряжений между любыми входными выводами 23-28.

Также обеспечиваются равные пороговые напряжения срабатывания защиты от поступающих на устройство синфазных перенапряжений между соединенным с землей выводом 35 и любыми входными выводами 23-28.

Устройство работает следующим образом.

При нормальных условиях работы и отсутствии перенапряжений на входах 23-28, подключенных к линии связи, полезный сигнал проходит без существенного ослабления через элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления 44-49 на выходы 29-34. Так как максимальная амплитуда напряжения полезного сигнала недостаточна для срабатывания защиты, то ни симметричные диодные тиристоры 51-57, ни газонаполненные разрядники 37-43 не срабатывают.

При появлении между какими-либо (в любом сочетании) проводами подключенной к устройству защиты линии связи повышенного дифференциального напряжения, величина которого превышает пороговое напряжение включения защиты, сначала включаются имеющие малое время задержки включения соответствующие симметричные диодные тиристоры из 51-56. Затем суммарное падение напряжения на включенных симметричных диодных тиристорах и последовательно соединенных с ними разделительных сопротивлениях постепенно превышает напряжение срабатывания соединенных с ними разрядников, и разрядники срабатывают. Время задержки срабатывания разрядников больше, чем у симметричных диодных тиристоров, поэтому всегда сначала срабатывает защита на симметричных диодных тиристорах, а затем - на разряднике. Импульсы перенапряжения, а также и полезные сигналы, не проходят на выходные выводы 29-34 устройства и защищаемое оборудование. Если бы разрядники первой ступени защиты были бы подсоединены параллельно симметричным диодным тиристорам второй ступени непосредственно, а не через разделительные сопротивления 44-49, то газонаполненные разрядники могли бы сработать только после перегорания шунтирующих их симметричных диодных тиристоров.

Допустимый ток через каждый из разрядников значительно превышает допустимый ток через симметричные диодные тиристоры, и срабатывание разрядника защищает симметричные диодные тиристоры от возможных длительных перегрузок по току.

При длительном воздействии перенапряжения включаются симметричные диодные тиристоры, ток через них и элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления 44-49 приводит к нагреву последних и значительному увеличению их сопротивления. В результате ток уменьшается до уровня, безопасного для элементов схемы и защищаемого оборудования. После прекращения воздействия перенапряжения ток через элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления уменьшается, он остывает и его сопротивление возвращается к исходной величине.

Напряжение на соответствующем выходе устройства при его работе имеет следующий вид. Сначала появляется кратковременный импульс, длительность которого определяется суммой времени нарастания входного напряжения до величины порогового напряжения включения симметричного диодного тиристора и времени задержки включения симметричного диодного тиристора; амплитуда импульса равна динамическому пороговому напряжению включения симметричного диодного тиристора. После включения симметричного диодного тиристора напряжение на выходе спадает до величины падения напряжения на этом симметричном диодном тиристоре. Таким образом, входное дифференциальное напряжение ограничивается до уровня падения напряжения на двух последовательно соединенных симметричных диодных тиристорах из 51-56.

Через промежуток времени, равный сумме времени нарастания входного напряжения до величины порогового напряжения разрядника и времени задержки его срабатывания, разрядник переходит в проводящее состояние. В проводящем состоянии падение напряжения на разряднике мало; при этом ток импульса перенапряжения протекает по двум параллельным цепям - через разрядник а также через симметричный диодный тиристор и элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления, а напряжение на выходных выводах определяется падением напряжения на симметричном диодном тиристоре.

При снижении входного напряжения снижается ток через разрядник и симметричный диодный тиристор. Далее ток уменьшается до уровня, при котором разрядник отключается, а ток продолжает некоторое время протекать через элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и через симметричный диодный тиристор. Дальнейшее уменьшение тока через симметричный диодный тиристор приводит к его отключению.

При появлении на входе между одним из подключенных к линии связи выводов 23-28 и землей (и, следовательно, и выводом заземления 35) синфазного перенапряжения, амплитуда которого превышает заданное пороговое напряжение срабатывания защиты, включаются симметричный диодный тиристор 57 и соединенный последовательно с ним один из обозначенных номерами 51-56 симметричных диодных тиристоров. Затем срабатывает соответствующий разрядник из обозначенных номерами 37-42 и соединенный последовательно с ним разрядник 43, защищая от синфазного перенапряжения участок электрической цепи межу выводом заземления 35 и соответствующим выходным выводом устройства с подключенным к нему защищаемым оборудованием. При этом входное синфазное напряжение ограничивается до уровня падения напряжения на двух последовательно соединенных симметричных диодных тиристорах: 57 и одного из 51-56. В остальном работа устройства сходна с описанной выше работой при дифференциальных перенапряжениях.

При появлении синфазного перенапряжения на входе между землей (а следовательно, и выводом заземления 35) и не одним, а несколькими выводами из 23-28, срабатывают симметричный диодный тиристор 57 и последовательно соединенные с ним несколько соответствующих симметричных диодных тиристоров из обозначенных номерами 51-56. Аналогично срабатывают и разрядник 43 с соответствующими последовательно соединенными с ним разрядниками из 37-42. В остальном работа устройства сходна с описанной выше работой при дифференциальных перенапряжениях.

Применение одного устройство для защиты от перенапряжений на линии связи по настоящему изобретению позволяет заменить нескольких известных устройств, предназначенных для защиты только двухпроводных линий связи, что упрощает систему защиты, уменьшает количество деталей и при этом обеспечивает защиту от перенапряжений между любыми проводами на линии связи.

Вместо одного симметричного диодного тиристора могут быть применены несколько соединенных последовательно симметричных диодных тиристоров.

Вместо одного или нескольких симметричных диодных тиристоров могут быть также применены эквивалентные модули или микросхемы со сходными характеристиками и сложными электрическими схемами, например, на тиристорах с цепями управления их работой.

В качестве разделительных электрических сопротивлений могут быть использованы позисторы - резисторы из керамических полупроводниковых материалов; резисторы с положительным температурным коэффициентом из специальных полимерных материалов; другие элементы со сходными обратимыми характеристиками или элементы с коммутируемыми цепями.

В качестве разделительных электрических сопротивлений вместо элементов с положительным температурным коэффициентом сопротивления или вместе с ними могут быть также использованы элементы схемы, содержащие активные и реактивные сопротивления, другие нелинейные приборы.

Разрядники первой ступени защиты могут быть многоэлектродными, с термозащитой, с коммутируемыми цепями и другие, и в частных случаях могут быть соединены с входными и с выводом заземления иными способами.

На фиг. 5 изображена схема устройства защиты оборудования для частного случая четырехпроводной линии связи, например, по фиг.4, с применением проволочных резисторов 58-61 и двусторонних стабилитронов 62-66.

На фиг. 6 изображена схема устройства защиты оборудования для частного случая четырехпроводной линии связи, например, по фиг.4, с применением резисторов 58-61 и варисторов 67-71.

Работа устройств по фиг.5, 6 существенно не отличается от описанной ранее.

Стабилитроны и варисторы работают в обычных известных режимах.

Устройство по изобретению повышает надежность защиты от перенапряжений и может применяться для грозозащиты и иных перенапряжениях на линии связи, в том числе на необслуживаемых регенераторных пунктах.

Устройство позволяет выполнять защиту оборудования от перенапряжений между любыми проводами линии, в любом сочетании, без ложных срабатываний защиты в случаях отсутствия на линии связи опасных для оборудования перенапряжений, с оптимальными порогами срабатывания защиты как для синфазных, так и для дифференциальных перенапряжений на линии связи.

Источники информации 1. Ю.Н. Корнышев, А. Я. Маркович, М. Н. Пискер, В. М. Романцов. Стационарное оборудование сельской телефонной связи. - М.: Радио и связь, 1990, с. 280, рис. 15.1 в.

2. ГОСТ 5238-81. Схемы защиты от опасных напряжений и токов, возникающих на линиях. Технические требования. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

3. Заявка РФ 94000893, МПК⁶ Н 02 Н 9/04. Устройство для защиты двухпроводных линий от перенапряжений. Опубл. 1995.

4. Патент РФ 2050663, МПК⁶ Н 02 Н 9/04. Устройство защиты от грозовых импульсов перенапряжений двухпроводной линии связи. Опубл. 1995.

5. Патент США 52722588, U. S. Class 361/119, МПК Н 02 Н 9/04. Surge protector. Опубл. 1990.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты оборудования от перенапряжений, содержащее N входных сигнальных выводов для подключения к проводам линии связи; N выходных сигнальных выводов для подключения защищаемого оборудования; вывод заземления; первую ступень защиты на газонаполненных разрядниках, подсоединенных ко входным сигнальным выводам; вторую ступень защиты на подсоединенных к выходным сигнальным выводам двусторонних полупроводниковых ограничителях напряжения; N разделительных электрических сопротивлений, каждое из которых одним выводом соединено с одним из входных сигнальных выводов, а вторым выводом соединено с соответствующим выходным сигнальным выводом, отличающееся тем, что двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения второй ступени защиты соединены между собой в виде многолучевой звезды с числом лучей, равным (N+1), конец каждого из N лучей подсоединен к одному их N выходных сигнальных выводов, а конец (N+1)-го луча звезды, не подсоединенного ни к одному из сигнальных выводов, соединен с выводом заземления, причем двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения, принадлежащие тем N лучам звезды, концы которых соединены с выходными сигнальными выводами устройства, имеют одинаковые характеристики и электрические параметры.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газонаполненные разрядники первой ступени защиты соединены между собой в виде многолучевой звезды с числом лучей, равным (N+1), и конец каждого из N лучей подсоединен к одному из N входных сигнальных выводов, а конец (N+1)-го луча звезды, не подсоединенного ни к одному из сигнальных выводов, соединен с выводом заземления, причем газонаполненные разрядники, принадлежащие тем N лучам звезды, концы которых соединены с входными сигнальными выводами устройства, имеют одинаковые характеристики и электрические параметры.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения использованы варисторы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения использованы двусторонние стабилитроны.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения использованы полупроводниковые приборы с характеристиками симметричных диодных тиристоров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6