Устройство защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях

Использование: в электротехнике для защиты от ложного запуска систем пожаротушения. Технический результат заключается в выравнивании потенциалов напряжения между пусковыми проводами и любым из пусковых проводов и «землей» и в уменьшении элементов схемы. Устройство имеет три ступени защиты. Первая выполнена в виде разрядника с тремя электродами, из которых один заземлен. Вторая ступень содержит индукционные катушки и последовательно соединенные друг с другом полупроводниковые ограничители напряжения, представляющие собой TVS-диоды двунаправленные, или варисторы, или грозозащитные тиристоры, общая точка которых подключена к заземленному электроду разрядника, а два других электрода соединены с индукционными катушками. Третья ступень защиты содержит последовательную цепь из диода и катушки электромагнитного реле и подключена к пусковым проводам параллельно полупроводниковым ограничителям напряжения, а зашунтированные резистором контакты реле могут быть установлены в любом из пусковых проводов. При возникновении пожара пусковые напряжение и ток подаются в направлении, обратном контрольным напряжению и току, замыкая контакты реле для запуска пиропатрона. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты от ложного запуска систем пожаротушения (ПТ) при атмосферных (естественных) импульсных перенапряжениях, которые возникают при грозовых разрядах и при коммутационных (искусственных) перенапряжениях (коммутациях расположенных вблизи систем ПТ цепей с большими токами, как то: короткое замыкание в линиях электропередач, включение-выключение мощных нагрузок и т.п.). Устройство предназначено для установки в низковольтных пусковых проводах между контрольно-пусковым прибором и пиропатроном.

Отсутствие ложных запусков является важнейшим условием надежности систем противопожарной защиты.

Известно устройство, которое может быть использовано в системах пожаротушения для защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях (см. свидетельство РФ №34814 на полезную модель «Устройство защиты от импульсных помех», МПК 7 Н02Н 1/00). Известное устройство имеет три связанные между собой ступени защиты, первая из которых содержит двухэлектродный разрядник РТ1, электроды которого соединены с началами установленных в пусковых проводах индукционных катушек L1 и L2, концы которых подключены к входам последовательно соединенных друг с другом стабилитронов VD1 и VD2 (катушки L1, L2 и стабилитроны VD1, VD2 являются второй ступенью защиты), а третья ступень защиты содержит транзистор VT1, два диода VD3, VD4 (на черт. ошибочно указано VD2) и электромагнитное реле с зашунтированными резистором Rконт. контактами К1, установленными со стороны пиропатрона в пусковом проводе, с которым соединены аноды диодов VD3 и VD4. Известное устройство надежно функционирует при возникновении перенапряжений между пусковыми проводами, но оно не защищает пиропатрон системы пожаротушения от ложного запуска при импульсных перенапряжениях хотя бы между одним из пусковых проводов и «землей».

Таким образом, недостаток известного устройства заключается в сниженных защитных характеристиках.

Известное устройство по свидетельству №34814 на полезную модель является наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому эффекту, поэтому выбрано в качестве прототипа.

Задачей настоящего изобретения является: улучшение защитных характеристик устройства при упрощении конструкции устройства.

Технический результат заключается в выравнивании потенциалов напряжения между пусковыми проводами и любым из пусковых проводов и «землей», а также в уменьшении элементов схемы.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях, подключенном между контрольно-пусковым прибором и пиропатроном, содержится разрядник, электроды которого соединены с установленными в пусковых проводах индукционными катушками, концы последних подключены к выводам последовательно соединенных друг с другом полупроводниковых ограничителей напряжения, при этом к одному из пусковых проводов подключен диод, соединенный с катушкой электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в одном из пусковых проводов со стороны пиропатрона, согласно изобретению разрядник снабжен третьим заземленным электродом, подключенным к общей точке последовательно соединенных друг с другом полупроводниковых ограничителей напряжения, представляющих собой TVS-диоды двунаправленные, или варисторы, или грозозащитные тиристоры, причем диод и катушка электромагнитного реле образуют цепь, концы которой подключены к пусковым проводам параллельно полупроводниковым ограничителям напряжения.

В заявляемом устройстве функцию трехэлектродного разрядника могут выполнять последовательно соединенные друг с другом два двухэлектродных разрядника с заземленной общей точкой соединения, подключенной к общей точке последовательно соединенных друг с другом полупроводниковых ограничителей напряжения.

В заявляемом устройстве катод диода может быть соединен с первым концом катушки электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в пусковом проводе, к которому подключен анод диода.

В заявляемом устройстве анод диода может быть соединен с первым концом катушки электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в пусковом проводе, к которому подключен катод диода.

В заявляемом устройстве катод диода может быть соединен с первым концом катушки электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в пусковом проводе, к которому подключен второй конец катушки электромагнитного реле.

В заявляемом устройстве анод диода может быть соединен с первым концом катушки электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в пусковом проводе, к которому подключен второй конец катушки электромагнитного реле.

В заявляемом устройстве TVS-диод двунаправленный может быть составлен из двух однонаправленных TVS-диодов путем их встречного последовательного подключения друг к другу.

Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам свидетельствуют, что предлагаемое устройство защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях неизвестно и не следует явным образом из изученного уровня техники, а следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Заявляемое устройство может быть изготовлено в условиях предприятия, специализирующегося в отрасли, занятой производством радиоэлектронной аппаратуры, с использованием стандартного отечественного или импортного оборудования, известных технологий и серийно выпускаемых промышленностью электрических и полупроводниковых элементов. Оно может широко использоваться во всех производственных, офисных и жилых помещениях.

Таким образом, заявляемое устройство защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях соответствует критерию «промышленная применимость».

Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявляемому устройству новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу.

Заявляемое устройство имеет три ступени защиты: первая из них содержит трехэлектродный разрядник с одним заземленным электродом (или два двухэлектродных разрядника с заземленной общей точкой), вторая ступень содержит индукционные катушки и последовательно соединенные друг с другом полупроводниковые ограничители напряжения, общая точка которых подключена к заземленному электроду разрядника. Третья ступень защиты, соединенная со второй, содержит диод, катушку электромагнитного реле, его контакты и резистор.

В режиме контроля целостности пиропатрона ток в устройстве течет в соответствии с полярностью подключения через пиропатрон (на черт. не показан) и резистор. При протекании контрольного тока первая, вторая и третья ступени (кроме резистора) отключены и не оказывают влияния на работу приборов (ПТ) в режиме контроля. При штатном режиме пуска пиропатрона, т.е. при возникновении пожара, контрольно-пусковым прибором (ПТ) подается пусковое напряжение и ток в обратную сторону, противоположную контрольному. Тогда открывается диод и запитывается катушка электромагнитного реле, в результате чего контакты реле замыкаются и «закорачивают» резистор. Поскольку резистор перестает оказывать влияние на прохождение пусковых тока и напряжения, то на пиропатрон подается пусковое напряжение, и он запускается.

В прототипе, если на входе устройства защиты потенциал напряжения хотя бы на одном из проводов окажется высоким относительно «земли» (или корпуса пиропатрона) при возникновении импульсных перенапряжений от атмосферных или коммутационных наводок, возможен искровой пробой между нитью пиропатрона и его корпусом. В силу чего происходит воспламенение пиротехнического вещества и происходит ложный запуск пиропатрона.

В заявляемом устройстве защиты этот момент учтен благодаря наличию третьего заземляющего электрода. При возникновении импульсных перенапряжений на входе устройства защиты обеспечивается заземление его входных клемм при сработке разрядника и (или) защитных TVS-диодов.

В прототипе использованы стабилитроны VD1 и VD2. Обычно они применяются, если надо регулировать напряжение в электронных цепях. Однако от мощных импульсов, возникающих от атмосферных или коммутационных наводок, стабилитроны цепь не защищают, т.к. не рассчитаны на работу при значительных импульсных нагрузках.

В заявляемом устройстве было принято решение выбрать такие полупроводниковые ограничители напряжения, как TVS-диоды двунаправленные, или варисторы, или грозозащитные тиристоры. Аббревиатура TVS происходит от английского термина «transient voltage suppressor», что в переводе на русский язык означает полупроводниковый ограничитель напряжения, иначе - «супрессор». Варисторы и грозозащитные тиристоры выполняются промышленностью двунаправленными. TVS-диоды могут быть изготовлены как однонаправленными, так и двунаправленными. Для заявляемой схемы выбираются двунаправленные TVS-диоды. Это позволяет схеме быть симметричной и при возникновении импульсных перенапряжений разной полярности работать с одинаковым ограничением. Сравнение рабочих характеристик TVS-диодов двунаправленных, или варисторов, или грозозащитных тиристоров с характеристиками стабилитронов показало, что последние менее надежны при необходимости поглощать мощные импульсы перенапряжения, ограничивать их пики и не давать им расти. Стабилитроны лишь стабилизируют или регулируют напряжение в цепи. В контрольном рабочем режиме TVS-диоды двунаправленные, варисторы или грозозащитные тиристоры (далее TVS-диоды) «невидимы», т.е. не влияют на работу защищаемого ими пускового прибора вплоть до возникновения импульса перенапряжения.

Во время действия импульса перенапряжения TVS-диод ограничивает выброс напряжения до безопасного значения, при котором невозможен запуск пиропатрона, при этом опасный ток протекает через TVS-диод на «землю», минуя защищаемую цепь. В этом случае остаточное напряжение на TVS-диодах создает очень малый ток через шунтирующий резистор. Такой ток не может вызвать запуск пиропатрона.

В прототипе третья ступень защиты содержит диоды VD3, VD4, транзистор VT1 и электромагнитное реле с катушкой и контактами. Диод VD3 предназначен при пуске открывать транзистор VT1, а диод VD4 - защищать транзистор при переключении катушки реле.

В заявляемом устройстве защиты используется только один диод, который предназначен отключать катушку реле при протекании контрольного тока через устройство, а при пусковом токе запитывать катушку реле. При этом упрощается конструкция устройства за счет исключения из схемы транзистора VT1 и диода VD4. Кроме того, диод в заявляемом устройстве определяет направление контрольного ток, т.е. полярность подключения: при протекании контрольного тока диод должен быть «закрыт».

Предлагаемое устройство защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях поясняется чертежами, где представлено:

фиг.1, 2, 3, 4 - общие схемы с разной полярностью подключения к источнику напряжения и вариантами соединения диода, катушки и контактов электромагнитного реле;

фиг.5 - фрагмент общей схемы с двумя разрядниками.

К клеммам «+», «-» заявляемого устройства защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях подключен контрольно-пусковой прибор (на черт. не показан), подающий либо пусковое, либо контрольное напряжение и ток на пиропатрон и при пожаре, и в режиме контроля пиропатрона. Само устройство защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях содержит разрядник 1 с тремя электродами, один из которых заземлен, а два другие соединены с соответствующими пусковыми проводами (на черт. не обозначены) и индуктивными катушками 2 и 3. Вместо индуктивных катушек в схеме защиты возможна установка резисторов - активных сопротивлений. В целом, на решение поставленной задачи это не влияет. Поскольку в прототипе установлены индуктивные катушки, то в формуле изобретения они и нашли отражение. Концы индуктивных катушек 2, 3 подключены к выводам соответствующих полупроводниковых ограничителей напряжения 4 и 5, представляющих собой TVS-диоды двунаправленные, или варисторы, или грозозащитные тиристоры, последовательно соединенные друг с другом. Их общая точка соединена с заземленным электродом разрядника 1. TVS-диод двунаправленный может быть составлен из двух однонаправленных TVS-диодов путем их встречного последовательного подключения друг к другу. Параллельно 4 и 5 между пусковыми проводами подключена цепь, содержащая диод 6, последовательно соединенный анодом или катодом с катушкой электромагнитного реле (на черт. не обозначено). В одном из пусковых проводов между пиропатроном и последовательно соединенными полупроводниковыми ограничителями напряжения 4 и 5 установлены контакты 7 реле, зашунтированные резистором 8, подключенным к клеммам 9, 9'. Контакты 7 реле могут быть подключены как к аноду, так и катоду диода 6, либо ко второму концу, не соединенному с диодом 6, катушки 10 реле.

При возникновении импульсов перенапряжений ток в цепи устройства защиты пиропатрона от ложного запуска срабатываний протекает очень короткое время, за которое электромагнитное реле в силу своих конструктивных особенностей не успевает замкнуть контакты 7 и тем самым закоротить резистор 8. При этом после сработки первой и (или) второй ступени остаточная энергия импульса перенапряжения рассеивается на резисторе 8.

Выбор того или иного «супрессора» зависит от требований, предъявляемых к защитным характеристикам по мощности, энергии поглощения импульса напряжения и др.

На выходе заявляемого устройства к клеммам 11, 11' подключен пиропатрон (на черт. не показан), запускающийся в штатном режиме и воздействующий на баллон с тушащим веществом.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

1. Работа устройства защиты в режиме контроля пиропатрона и пуска в штатном режиме.

В этом режиме контрольный ток протекает по цепи в соответствии с полярностью подключения через пиропатрон и резистор 8, подключенный к клеммам 9, 9'. Электромагнитное реле отключено, т.к. ток не течет через диод 6 и катушку 10.

Сопротивление разрядника 1 и TVS-диодов 4 и 5 очень велико, поэтому они не влияют на величину контрольного тока.

В случае подачи пускового напряжения контрольно-пусковым прибором открывается диод 6, потому что пусковые напряжение и ток приложены в сторону, противоположную полярности подключения устройства. Катушка 10 электромагнитного реле оказывается под напряжением и замыкает контакты 7. При этом резистор 8 закорачивается и не оказывает влияния на прохождение пускового тока и напряжения в цепи устройства. По нити пиропатрона начинает протекать ток, вызывающий ее нагрев, вследствие чего баллон с тушащим веществом запускается.

2. Работа заявляемого устройства в режиме защиты.

При возникновении перегрузок по напряжению в цепи на клеммах «+» и (или) «-» появляется импульс перенапряжения. В первой ступени защиты срабатывает разрядник 1, уравнивая электрические потенциалы как между пусковыми проводами, так и между пусковыми проводами и «землей». Индуктивные катушки 2 и 3 выполняют функцию временных демпферов между разрядником и второй ступенью защиты для удерживания напряжения в течение времени около 1 мкс, необходимого для срабатывания разрядника. Вторая ступень защиты, состоящая из TVS-диодов 4 и 5, ограничивает остаточное напряжение в цепи после сработки разрядника 1 в пределах 12-30 В.

Так, стандартный грозовой импульс длительностью 8/20 мкс удлиняется на TVS-диодах приблизительно в 100 раз до величины 2000 мкс, что равно 2 мс. Этого времени недостаточно, чтобы протекающий импульсный ток через третью ступень защиты, содержащую диод 6 и электромагнитное реле с катушкой 10 и контактами 7, смог вызвать замыкание контактов 7 электромагнитного реле и закоротить резистор 8. Остаточный импульсный ток после сработки первой и второй ступеней защиты рассеивается на резисторе 8, а также на диоде 6 и катушке 10 электромагнитного реле, что не вызывает ложного запуска пиропатрона.

Заявляемое устройство защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях имеет ряд преимуществ по сравнению с прототипом:

- высокая надежность за счет исключения ложных срабатываний;

- упрощение конструкции за счет уменьшения количества элементов схемы.

1. Устройство защиты пиропатрона от ложного запуска при импульсных перенапряжениях, подключенное между контрольно-пусковым прибором и пиропатроном, содержащее разрядник, электроды которого соединены с установленными в пусковых проводах индукционными катушками, концы последних подключены к выводам последовательно соединенных друг с другом полупроводниковых ограничителей напряжения, при этом к одному из пусковых проводов подключен диод, соединенный с катушкой электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в одном из пусковых проводов со стороны пиропатрона, отличающееся тем, что разрядник снабжен третьим заземленным электродом, подключенным к общей точке последовательно соединенных друг с другом полупроводниковых ограничителей напряжения, представляющих собой TVS-диоды двунаправленные, или варисторы, или грозозащитные тиристоры, причем диод и катушка электромагнитного реле образуют последовательную цепь, концы которой подключены к пусковым проводам параллельно полупроводниковым ограничителям напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что функцию трехэлектродного разрядника выполняют последовательно соединенные друг с другом два двухэлектродных разрядника с заземленной точкой соединения, подключенной к общей точке последовательно соединенных друг с другом полупроводниковых ограничителей напряжения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катод диода соединен с первым концом катушки электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в пусковом проводе, к которому подключен анод диода.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод диода соединен с первым концом катушки электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в пусковом проводе, к которому подключен катод диода.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катод диода соединен с первым концом катушки электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в пусковом проводе, к которому подключен второй конец катушки электромагнитного реле.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод диода соединен с первым концом катушки электромагнитного реле, зашунтированные резистором контакты которого установлены в пусковом проводе, к которому подключен второй конец катушки электромагнитного реле.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что TVS-диод двунаправленный составлен из двух однонаправленных TVS-диодов путем их встречного последовательного подключения друг к другу.