CN103078307B

CN103078307B - 防雷道岔信号表示整流器

Info

Publication number: CN103078307B
Application number: CN201310029281.9A
Authority: CN
Inventors: 黄永捷; 金波; 胡再贵; 赵军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-27
Filing date: 2013-01-27
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2033-01-27
Also published as: CN103078307A

Abstract

本发明旨在提供一种防雷道岔信号表示整流器，该防雷道岔信号表示整流器包括一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列、第一电感器、第二电感器、电容、阻容阻尼吸收回路、二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列和冗余整流电路阵列。本发明采用对称结构设计，不管高能量电磁脉冲从阴极侵入还是从阳极侵入，同样都能够起到良好的防雷效果，并且多级保护、低通滤波器和对高次谐波吸收的阻容阻尼电路的利用，进一步提升了防雷道岔信号表示整流器电路的综合防雷能力，是一种全新的防雷道岔信号表示整流器的电路设计，具备良好的连续的防雷抗雷能力，能够满足在年平均雷暴日超过60天以上的强雷区工作要求。

Description

防雷道岔信号表示整流器

技术领域

本发明涉及铁路中表示信号岔道的位置的装置，具体涉及一种防雷道岔信号表示整流器。

背景技术

道岔是一种使机车车辆从一股道转入另一股道的线路连接设备，通常在车站、编组站大量铺设。有了道岔，可以充分发挥线路的通过能力。即使是单线铁路，铺设道岔，修筑一段大于列车长度的叉线，就可以对开列车。道岔表示电路是道岔控制电路中非常重要的组成部分，它实时反映着道岔的位置，决定进路的排列及信号的排列。

道岔信号表示电路中的整流器实际上是一个由二极管构成的半波整流器件，该整流器对于道岔表示电路的正常运行有着极其重要的作用，如果二极管一旦失效，道岔表示电路也就失去了作用。在现有的道岔表示电路的故障中，由高耐压的整流二极管构成的整流器电路故障是所有表示电路故障中故障发生率最高的部件，特别是夏季，在强雷区（由国标规定的划分的雷击高发地区），因为现场无接地装置，不能采用泄放方式将雷电流引入大地，雷电导致的整流器电路故障发生率高得惊人。该电路故障的产生所形成的问题由来已久，但是迄今为止从未有好的解决方案出现过。

发明内容

本发明旨在提供一种防雷道岔信号表示整流器，该防雷道岔信号表示整流器强化了整流器电路对浪涌的泄放吸收功能，强化了电路自复功能，从而能确保电路在强浪涌电流情况下的安全与可靠。

本发明所述的防雷道岔信号表示整流器，包括一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列、第一电感器、第二电感器、电容、阻容阻尼吸收回路、二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列和冗余整流电路阵列，所述的电容、阻容阻尼吸收回路、二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列和冗余整流电路阵列并联后，与第一电感器串联后连接阳极，第二电感器串联后连接阴极；所述的第一电感器和第二电感器组成的串联电路与一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列并联。

所述的一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列由两只以上的压敏电阻并联组成。

所述的二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列由两只以上的压敏电阻并联组成。

所述的阻容阻尼吸收回路由电阻和电容组成，电阻和电容为串联关系。

所述的冗余整流电路阵列由两组以上的整流支路并联组成，每组整流支路包括电阻和瞬态抑制二极管，这二个元件为串联关系；每组整流支路还可包括自恢复保险丝；每组整流支路由电阻、自恢复保险丝和瞬态抑制二极管三个元件串联组成。

所述的一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列的保护电压设定为U1，该电压是由国标《TB/T3074—2003铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》所规定的参数来确定的。标准中针对保护电压值的确定有二个方法：其一是按表的规定“信号点灯、道岔表示、道岔启动(220V时)≤700V”经换算后确定，其二是由关系式“U1(V)≤4.8*工作电压”来确定。在本发明中保护电压值用其一的规定，并用现行的实际电路的工作电压110V换算后确定U1(V)≤350V。

所述的二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列的压敏电阻的保护电压值设定为U2，U2<U1，例如可以设定为U2≤U1-ΔU，其中ΔU为同一序列压敏电阻的两个相邻压敏电阻标称值之间的压差值。

所述的第一电感器、第二电感器和电容组成巴特沃斯型低通滤波器，该低通滤波器的截止频率由用于测试防雷性能的雷电模拟脉冲的典型频率最低值所确定，在额定参数许可的范围内，第一电感器和第二电感器的电感量尽可能取大值，这样更有利于保护。

所述的阻容阻尼吸收回路的电阻R和电容C的数值可由下述关系式所确定，R*C≥由用于测试防雷性能的雷电模拟脉冲的典型周期最大值，且在额定参数许可的范围内，R值尽可能取小，C值尽可能取大。

所述的冗余整流电路阵列的电阻的阻值在额定负载参数许可的范围内，电阻值尽可能取大值，所述的冗余整流电路阵列的瞬态抑制二极管的反向击穿电压参数设定为U3，设定U3>>U1，这样会更有利于降低在浪涌时通过冗余整流电路阵列中任意一组整流支路上的电流量，更有利于保护瞬态抑制二极管不被破坏。

所述的冗余整流电路阵列的自恢复保险丝电流参数设置为I_h。设置理由基于以下二点，其一是自恢复保险丝的额定工作电流略大于整流支路在正常工作时的最大电流，小于整流支路因二极管失效而造成短路时通过的最小电流，其二是自恢复保险丝最大电流小于瞬态抑制二极管的反向击穿时的最大允许电流。上述自恢复保险丝电流参数设置可以进一步确保瞬态抑制二极管在浪涌冲击中的安全与可靠，同时确保在冗余整流电路阵列的整流支路在任意一条支路的瞬态抑制二极管发生短路失效时，自恢复保险丝能自动切断该支路，从而确保整流器回路在故障状态下的工作正常。

所述的瞬态抑制二极管（TransientVoltageSuppressor）简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，在浪涌冲击过后，瞬态抑制二极管自动恢复。本发明利用瞬态抑制二极管的这种抗浪涌特性和自复特性，将其用于防雷道岔信号表示整流器中，既发挥该二极管的整流作用，又将该二极管作为抗浪涌冲击器件使用，这是一种新的防雷道岔信号表示整流器电路设计思路。

所述的压敏电阻英文名称叫“VoltageDependentResistor”简写为“VDR”,或者叫做“Varistor"。　压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。

所述的自恢复保险丝是一种过流电子保护元件，自恢复保险丝是由经过特殊处理的聚合树脂(Polymer)及分布在里面的导电粒子(CarbonBlack)组成。在正常工作条件的状态下，流经自恢复保险丝的电流所产生的热能小，不会改变自恢复保险丝内部晶体结构，此时的自恢复保险丝为低阻状态。但是当电路产生过流或浪涌时，流经自恢复保险丝的大电流产生的热量使聚合树脂融化，形成高阻状态，从而对电路进行保护。当故障排除或浪涌消失后，自恢复保险丝恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护且无须人工更换。通过自恢复保险丝的保护，整流器中的关键器件瞬态抑制二极管将更加安全与可靠。

本发明中采用巴特沃斯型低通滤波器；所述的阻容阻尼吸收回路即为高次谐波吸收电路；这两个电路结构首次应用与铁路道岔信号表示整流器的防雷设计，巴特沃斯型低通滤波器在铁路道岔信号表示整流设计的作用有二点，其一是对雷击浪涌中的高次谐波分量的阻碍与衰减作用；其二是对高次谐波的移相作用。对高次谐波的衰减作用使雷击浪涌中的主要能量产生极大的衰减，使后级的冗余整流电路阵列的安全有了更多的一个保护。对高次谐波的移相作用，使得雷击浪涌中的能量从第一级到第二级时有一个相位的迟后，相位的迟后使浪涌能量从前级向后级传输中有个时间差，这就给前级的压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列中的压敏电阻进入低阻保护状态以一个缓冲时间，使压敏电阻两端的电压在使后级电路电压达到危险值前进入低阻保护状态，从而更有效地保护了后级的冗余整流电路阵列的安全。由阻容电路构成的阻尼吸收电路对通过低通滤波器的雷击浪涌有着强大的吸收作用，对后级的冗余整流电路阵列有进一步的保护作用，上述电路均是由线性元件构成，雷击浪涌的能量越大，其保护作用也越大。经过低通滤波器和高次谐波吸收电路对雷电脉冲的衰减吸收，使得整个电路系统的防雷效果大大增强，进一步提升了防雷技术效果，使得防雷道岔信号表示整流器更为经久耐用。

本发明中冗余整流电路阵列采用瞬态抑制二极管作为整流元件，其整流支路至少包括电阻和瞬态抑制二极管串联组成，通过设置在保证表示电路正常工作电流前提下选取较大电阻值的电阻，来降低在浪涌时通过瞬态抑制二极管整流支路的电流，增强了瞬态抑制二极管自身的抗过压与抗过流能力，使得整个防雷道岔信号表示整流器电路能够承受任何剩余能量的冲击，且在瞬态脉冲的冲击之后电路又能恢复正常；采用两组以上的瞬态抑制二极管整流支路并联的冗余电路阵列设计，进一步降低了因为瞬态抑制二极管损坏，而造成整个防雷道岔信号表示整流器失效的风险。在支路中还可以串入自恢复保险丝，更能使支路在强浪涌时及时切断整流支路，进一步保护瞬态抑制二极管不受浪涌冲击而失效。

本发明中引入了冗余技术设计，使电路中的任一并联支路失效时相邻的冗余支路能继续工作，从而进一步提高整流器电路的整体的抗雷防雷能力，对提高整流器电路的安全性与可靠性，保障铁路道岔信号表示电路的安全与可靠有着极为重要的意义。达到冗余设计的最终目的——即在冗余技术的支持下，其中的任一支路出现故障状态时，系统仍然能够正常工作。实现了铁路安全准则的要求，“故障导向安全”。

本发明的设计还遵循了“简洁至上、安全第一”原则，运用冗余技术，以最小的元件数，最大的安全性和可靠性为设计准则，能够进一步提高整流器电路的安全性与可靠性，对确保保障铁路道岔信号表示电路的安全与可靠有着更进一步的作用。

本发明的防雷效果是这样实现的：当雷击等强电磁干扰侵入电路，比如电流浪涌侵入时，一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列首先进入低阻状态，使浪涌电流的能量在一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列上释放，在经过第一次能量释放后，浪涌电流剩余的能量的电压峰值被限制至U1的值，如±330V左右。

再经过巴特沃斯型低通滤波器与阻容阻尼吸收回路的衰减后继续传递至二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列，二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列的保护电压参数设计为U2的值，如±300V左右。这样经过二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列的能量释放后的剩余能量的电压峰值已经不大于U2，此时的剩余能量的冲击不管是正向还是反向，已经不足以对后级的冗余整流电路阵列产生有使元件永久性失效威胁的浪涌冲击了。冗余整流电路阵列中的瞬态抑制二极管的反向击穿电压参数设定为U3>>U1，从而使瞬态抑制二极管在强雷电的浪涌电流冲击中，即使由于前级电路的瞬态响应的滞后、低通滤波容阻尼吸收回路衰减的不足导致了加在后级冗余整流电路阵列两端的的电压幅值超限，即雷击浪涌使后级冗余整流电路阵列两端的的电压幅值超过了U3，但是由于瞬态抑制二极管同样对过压的能量具有泄放与吸收作用，冗余整流电路阵列依然能保证整流电路工件的正常。

在极端的状态下，经过连续多次的极高能量电磁脉冲的冲击，如连续的超强雷击后，前后级的压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列中的压敏电阻有5个失效，仅剩余一个完好，在该完好的压敏电阻保护下，电路依然具有防雷抗雷功能，压敏电阻仍然能够保护电路，使电路中的浪涌电流的电压幅值不大于U1的值，电路依然可以可靠地正常工作。即使是过压过流泄放吸收阵列的保护元件全部失效，由瞬态抑制二极管元件构成的整流电路在强电磁干扰条件下，只要瞬态干扰脉冲在20μS的时间内的瞬态浪涌电流的电功率小于瞬态抑制二极管最大可承受功率，如4500W，瞬态抑制二极管在浪涌过后能够恢复正常，从而确保信号电路的正常工作。并且在整流支路中串入自恢复保险丝，能使支路在可能发生的强浪涌电流超过瞬态抑制二极管最大可承受电流前，如超过I_max=3A及时切断整流支路，进一步保护瞬态抑制二极管不受浪涌冲击而失效。

本发明所展示的防雷道岔信号表示整流器电路，采用对称结构设计，不管高能量电磁脉从阴极冲入还是从阳极冲入，同样都能够起到良好的防雷效果，并且多级保护、低通滤波器和高次谐波吸收电路的利用，进一步提升了防雷道岔信号表示整流器电路的综合防雷能力，是一种全新的防雷道岔信号表示整流器的电路设计，具备良好的连续的防雷抗雷能力，能够满足在年平均雷暴日超过60天以上的强雷区工作要求，具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1为本发明实施例提供的防雷道岔信号表示整流器的原理框图

图2为本发明实施例提供的防雷道岔信号表示整流器的第一种电路图

图3为本发明实施例提供的防雷道岔信号表示整流器的第二种电路图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，防雷道岔信号表示整流器包括一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列、第一电感器、第二电感器、电容、阻容阻尼吸收回路、二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列和冗余整流电路阵列，所述的电容、阻容阻尼吸收回路、二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列和冗余整流电路阵列并联后，与第一电感器串联后连接阳极，第二电感器串联后连接阴极；所述的第一电感器和第二电感器组成的串联电路与一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列并联；所述的第一电感器L11和第二电感器L12的电感量在本实施例中定为15mH。

如图2所示，所述的一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列由三只压敏电阻并联组成，即压敏电阻M1、M2、M3，压敏电阻M1、M2、M3的压敏电压值是U1，U1在本实施例中定为U1=330V；所述的二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列由三只压敏电阻并联组成，即压敏电阻M4、M5、M6，压敏电阻M4、M5、M6的压敏电压值是U2，U2在本实施例中定为U2=300V；所述的阻容阻尼吸收回路由电阻R1和电容C1组成，电阻R1和电容C1为串联关系，电阻R1阻值在本实施例中定为1KΩ，电容C1的容量值为0.1μF；所述的冗余整流电路阵列由三组整流支路并联组成，整流支路的电路位于图3的最右端，每组整流支路由电阻和瞬态抑制二极管两个元件串联组成，即电阻R2、R3、R4和瞬态抑制二极管Z1、Z2、Z3，瞬态抑制二极管的电压参数在本实施例中定为440V，电阻R2、R3、R4的阻值按前述关系式所确定，在本实施例中定为68Ω。自恢复保险丝参数按前述标准选定，在本实施例中定为I_h=0.1A。

如图3所示，所述的一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列由三只压敏电阻并联组成，即压敏电阻M1、M2、M3，压敏电阻M1、M2、M3的压敏电压值是U1，U1在本实施例中定为U1=330V；所述的二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列由三只压敏电阻并联组成，即压敏电阻M4、M5、M6，压敏电阻M4、M5、M6的压敏电压值是U2，U2在本实施例中定为U2=300V；所述的阻容阻尼吸收回路由电阻R1和电容C1组成，电阻R1和电容C1为串联关系，电阻R1阻值在本实施例中定为1KΩ，电容C1的容量值为0.1μF；所述的冗余整流电路阵列由三组整流支路并联组成，整流支路的电路位于图3的最右端，每组整流支路由电阻、自恢复保险丝和瞬态抑制二极管三个元件串联组成，即电阻R2、R3、R4，自恢复保险丝FP1、FP2、FP3和瞬态抑制二极管Z1、Z2、Z3，瞬态抑制二极管的电压参数在本实施例中定为440V，电阻R2、R3、R4的阻值按前述关系式所确定，在本实施例中定为51Ω。自恢复保险丝参数按前述标准选定，在本实施例中定为I_h=0.1A。

本实施例的防雷道岔信号表示整流器是这样工作的：

当电路中串入强电磁干扰，比如电流浪涌时，一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列首先进入低阻状态，使浪涌电流的能量在一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列上释放，在经过第一次能量释放后，浪涌电流剩余的能量的电压峰值被限制至在±330V左右。再经过巴特沃斯型低通滤波器与阻容阻尼吸收回路的衰减后继续传递至二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列，二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列的保护电压参数设计为±300V左右。这样经过二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列的能量释放后的剩余能量的电压峰值已经不大于±300V，此时的剩余能量的冲击不管是正向还是反向，已经不足以对后级的瞬态抑制二极管冗余整流电路阵列产生有使元件永久性失效威胁的浪涌冲击了。瞬态抑制二极管冗余整流电路阵列中的瞬态抑制二极管的反向击穿电压参数设定为U3>>U1，这使得雷电的浪涌电流到达时，在电压升至U3之前，就已经从二级VDR压敏电阻泄放吸收电路中获得释放。

在极端的状态下，经过连续多次的极高能量电磁脉冲的冲击，如连续多次的超强雷击后，前后级的压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列中的压敏电阻失效5个，剩余1个未曾失效，此时这个未失效的压敏电阻，仍然能够起到电路的保护作用，使电路中的浪涌电流的电压幅值不大于±330V，电路依然可以正常可靠地工作。即使是过压过流泄放吸收阵列的保护元件全部失效，由瞬态抑制二极管元件构成的冗余整流电路阵列在强电磁干扰条件下，只要瞬态干扰脉冲在20μS的时间内的加至瞬态抑制二极管阵列上的浪涌电流的总电功率小于4500W，瞬态抑制二极管电路仍能自行恢复，保证整流器电路的正常工作。

冗余整流电路阵列中可以加入自恢复保险丝，每组整流支路由电阻、自恢复保险丝和瞬态抑制二极管三个元件串联组成，这样即使加至瞬态抑制二极管阵列上的浪涌电流的总电功率超过4500W，由于自恢复保险丝的加入，自恢复保险丝会自动切断电路，直至浪涌电流消失，电路再恢复正常，进一步提升了整流器电路的抗雷能力。

Claims

1.一种防雷道岔信号表示整流器，包括一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列、第一电感器、第二电感器、电容、阻容阻尼吸收回路、二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列和冗余整流电路阵列，所述的电容、阻容阻尼吸收回路、二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列和冗余整流电路阵列并联后，与第一电感器串联后连接阳极，第二电感器串联后连接阴极；所述的第一电感器和第二电感器组成的串联电路与一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列并联；

所述的第一电感器、第二电感器、电容、阻容阻尼吸收回路构成带阻尼吸收的巴特沃斯型低通滤波器。

2.如权利要求1所述的防雷道岔信号表示整流器，其特征在于：所述的一级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列由两只或三只压敏电阻并联组成；所述的二级压敏电阻冗余泄放吸收电路阵列由两只或三只压敏电阻并联组成；所述的阻容阻尼吸收回路由电阻和电容组成，电阻和电容为串联关系；所述的冗余整流电路阵列由两组或三组整流支路并联组成；每组整流支路包括电阻和瞬态抑制二极管，这二个元件为串联关系。

3.如权利要求2所述的防雷道岔信号表示整流器，其特征在于：每组整流支路还包括自恢复保险丝；每组整流支路由电阻、自恢复保险丝和瞬态抑制二极管三个元件串联组成。