Устройство для защиты средств железнодорожной автоматики от грозовых и коммутационных перенапряжений

Изобретение относится к устройствам для защиты средств железнодорожной автоматики от перенапряжений. Устройство состоит из последовательно включенных в линейные провода и разделенных малоиндуктивными резисторами ступеней защиты. Каждая ступень содержит параллельно включенные варистор и конденсатор. На входе первой ступени, последовательно в линейных проводах включены ограничительные индуктивности, выполненные в виде трансформаторов с включенными во вторичную обмотку газонаполненными разрядниками, средние выводы которых заземлены. На выходе последней ступени параллельно конденсатору включен ограничитель напряжения. Технический результат - повышение эфективности защиты и расширение зоны защищаемого оборудования. 2 ил.

 

Изобретение относится к электронике, в частности к устройствам для защиты электрических цепей и аппаратуры железнодорожной автоматики от перенапряжений, построенных как на полупроводниковых и микропроцессорных элементах, так и по традиционной релейной технологии, чувствительным даже к непродолжительным перенапряжениям.

Железнодорожные средства автоматики, обеспечивающие безопасность движения поездов, работающие на частотах от 25 Гц до 780 Гц и на частотах 4545 Гц до 5555 Гц, использующие в качестве информационных цепей рельсы, должны обладать возможностью защищать аппаратуру, в том числе микроэлектронную, от опасных воздействий грозовых разрядов, имеющих значения 20-40 кВ и 10-30 кА, не оказывая мешающее воздействие на полезные сигналы, поступающие по рельсам, как по частоте, так и по уровню сигналов.

Для защиты аппаратуры от воздействия грозовых разрядов используют пороговый принцип построения защиты, при котором остающееся напряжение существенно превышает величину опасного напряжения для полупроводниковой структуры микроэлектронной аппаратуры, причем применение пороговых элементов, таких как разрядники и варисторы, не обеспечивает селективность защиты по указанным выше принципам.

Существующие методы защиты железнодорожной автоматики предполагают использование пороговых элементов с применением тиристорно-транзисторных и оптоэлектронных устройств. Данные решения обладают достаточной эффективностью для определенного круга устройств, но не учитывают ряд специфических требований к устройствам безопасности железнодорожного транспорта (ЖАТ).

Наиболее важные условия для систем защиты устройств ЖАТ - это обеспечение абсолютной безопасности движения поездов, т.е. исключение ложных срабатываний и искажение параметров полезных сигналов в устройствах защиты, а также надежности в устройствах защиты, приводящие к нарушению работоспособности защищаемой аппаратуры ЖАТ.

Известно устройство для защиты оборудования от перенапряжений, содержащее N входных сигнальных выводов для подключения защищаемого оборудования, вывод заземления, первую ступень защиты на газонаполненных разрядниках, подключенных ко вторым сигнальным выводам, вторую ступень защиты на подключенных 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, при этом двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения второй ступени защиты соединены между собой в виде многолучевой звезды с числом выводов (N+1), имеют одинаковые характеристики и электрические параметры (см. патент РФ №2190916, кл. Н 02 Н 9/04, опубл. 2002).

Недостатком устройства является сложность конструкции и изготовления, а также ограниченность сферы применения.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа устройство для защиты средств железнодорожной автоматики от грозовых и коммутационных перенапряжений, состоящее из последовательно включенных в линейные провода ступеней защиты, содержащих параллельно включенные варисторы и конденсаторы со ступенчатым разделением малоиндуктивными резисторами (см. патент РФ №2050663, кл. Н 02 Н 9/04, опубл. 1995).

Недостатком устройства является повышенный нагрев ступеней защиты в процессе эксплуатации, что отрицательно сказывается на надежности и эффективности работы.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении эффективности защиты и расширении зоны защищаемого оборудования.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты средств железнодорожной автоматики от грозовых и коммутационных перенапряжений, состоящем из последовательно включенных в линейные провода и разделенных малоиндуктивными резисторами ступеней защиты, каждая из которых содержит параллельно включенные варистор и конденсатор, на входе первой ступени, последовательно в линейных проводах включены ограничительные индуктивности, выполненные в виде трансформаторов с включенными во вторичную обмотку газонаполненными разрядниками, средние выводы которых заземлены, а на выходе последней ступени параллельно конденсатору включен ограничитель напряжения.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию “новизна”, так как оно не известно из существующего уровня техники.

Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами и соответствует критерию “изобретательский уровень”, т.к. оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

На фиг.1 представлена структурная схема предложенного устройства, на фиг.2 - то же, развернутая принципиальная схема.

Устройство для защиты средств железнодорожной автоматики функционально состоит из трех ступеней защиты:

первая ступень - трансформаторы 1 и 2, имеющие включенные во вторичную обмотку газонаполненные разрядники 3 и 4 с заземленными средними выводами 5 и 6, а также варистор 7 и конденсатор 8;

вторая ступень - ограничительные резисторы 9 и 10, а также варистор 11 и конденсатор 12;

третья ступень - ограничительные резисторы 13 и 14, а также конденсатор 15 и ограничитель напряжения 16, выполненный в виде стандартного полупроводникового элемента.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.

При воздействии высоковольтного импульса на вход устройства в начальный момент нарастания фронта возникает ток через конденсаторы 8, 12, 15, установленные в каждой ступени, и первичные обмотки трансформаторов 1 и 2, выполняющих роль индуктивных ограничителей. Наличие индуктивности на входе устройства снижает скорость нарастания амплитуды воздействующего импульса (фиг.2).

Дальнейшее нарастание амплитуды вызывает срабатывание варистора 7 первой ступени, при этом резко увеличивается ток через индуктивные ограничители 1 и 2, что вызывает срабатывание газонаполненных трехэлектродных разрядников 3 и 4.

По цепи заземления 5 и 6 средних выводов разрядников 3 и 4 в момент разряда протекает импульсный ток порядка 50-100 А, чем снижается часть энергии входной импульсной помехи.

Схема включения разрядников 3 и 4 во вторичной обмотке трансформаторов 1 и 2 вызвана необходимостью гальванической развязки цепей заземления от линейных проводов.

Гальваническое разделение предложенной схемы необходимо по причине особого требования по изоляции линейных проводов в устройствах, обеспечивающих безопасность движения в системах железнодорожной автоматики и телемеханики, а именно в схемах рельсовых цепей с тональными частотами 420-5555 Гц.

Последующее нарастание амплитуды импульса (скачкообразного характера при разряде в цепи разрядников) вызывает включение варистора 11 второй ступени с ограничением амплитуды на резисторах 9 и 10. Окончательное снижение уровня высоковольтных помех происходит на третьей ступени ограничителем напряжения 16 до требуемого уровня с выделением энергии на резисторах 1, 3, 10 и 14. Селективность срабатывания варисторов 7, 11 и ограничителя напряжения 16 по ступеням обеспечивается резисторами 9, 10, 13 и 14.

Предложенное устройство по своим характеристикам обеспечивает выполнение требований к функционированию тональных рельсовых цепей. Наиболее важные требования - это обеспечение максимальной изоляции линейных проводов от земли и обеспечение наименьшего затухания полезного сигнала (не более 5% установленного уровня), а также исключение использования активных элементов в схеме защиты (выход из строя которых мог бы привести к появлению опасных частот для рельсовых цепей с тональными частотами).

Условие, обеспечивающее номинальное затухание полезного сигнала, реализуется исходя из эксплуатационных требований к рельсовым цепям с тональными частотами, особенно с диапазоном частот 4545-5555 Гц, которые наиболее подвержены затуханию.

Для указанных частот наибольшее допустимое затухание (5%) соответствует параметрам кабельной линии эксплуатационной длины до 1 км.

Максимальная длина кабельных линий в устройствах АБТ для частот диапазона 4545-5555 Гц в реальных условиях равна 250 м.

Исходя из изложенного, параметры кабельной линии l=750 м использованы в построении и при расчете элементов устройства для защиты.

Таким образом, предложенное устройство позволяет обеспечить защиту микроэлектронной аппаратуры ж.д. автоматики от грозовых и коммутационных перенапряжений, обеспечивая ограничения входного напряжения от 20 000 В до 20 В (остающееся напряжение), не нарушая прохождение частотных полезных сигналов, как по частоте, так и по величине напряжения.

Устройство для защиты средств железнодорожной автоматики от грозовых и коммутационных перенапряжений, состоящее из последовательно включенных в линейные провода и разделенных малоиндуктивными резисторами ступеней защиты, каждая из которых содержит параллельно включенные варистор и конденсатор, отличающееся тем, что на входе первой ступени последовательно в линейных проводах включены ограничительные индуктивности, выполненные в виде трансформаторов с включенными во вторичную обмотку газонаполненными разрядниками, средние выводы которых заземлены, а на выходе последней ступени параллельно конденсатору включен ограничитель напряжения.