RU2247459C2

RU2247459C2 - Device for protecting railway signaling means against lightning and switching surges

Info

Publication number: RU2247459C2
Application number: RU2003105120/28A
Authority: RU
Inventors: А.И. Каменев (RU); А.И. Каменев; Е.Н. Розенберг (RU); Е.Н. Розенберг; А.Я. Калиниченко (RU); А.Я. Калиниченко; Г.А. Новиков (RU); Г.А. Новиков; Д.Ю. Кисленко (RU); Д.Ю. Кисленко; А.Н. Грачев (RU); А.Н. Грачев
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2005-02-27

Abstract

FIELD: surge protection of railway signaling devices.

SUBSTANCE: proposed device has protection stages series-connected to line conductors and isolated by low-induction resistors. Each stage has parallel-connected varistor and capacitor. Series-connected in line conductors at input of first stage are limiting inductances in the form of transformers with gas-filled arresters inserted in their secondary windings whose center taps are grounded. Voltage limiter is connected at output of last stage in parallel with capacitor.

EFFECT: enhanced effectiveness of protective gear, enlarged range of protected equipment.

1 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to electronics, in particular to devices for protecting electrical circuits and railway automation equipment from overvoltages, built on both semiconductor and microprocessor elements, and according to traditional relay technology, sensitive even to short overvoltages.

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.Railway automation equipment that ensures the safety of trains, operating at frequencies from 25 Hz to 780 Hz and at frequencies of 4545 Hz to 5555 Hz, using rails as information circuits, must be able to protect equipment, including microelectronic, from the dangerous effects of lightning discharges having values of 20-40 kV and 10-30 kA, without interfering with the useful signals arriving along the rails, both in frequency and in signal level.

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.To protect the equipment from the effects of lightning discharges, the threshold principle of building protection is used, at which the remaining voltage significantly exceeds the dangerous voltage for the semiconductor structure of microelectronic equipment, and the use of threshold elements such as arresters and varistors does not provide protection selectivity according to the above principles.

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).Existing methods for protecting railway automation involve the use of threshold elements using thyristor-transistor and optoelectronic devices. These solutions are sufficiently effective for a certain range of devices, but do not take into account a number of specific requirements for railway safety devices (ZhAT).

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.The most important conditions for the protection systems of ZhAT devices are ensuring the absolute safety of train traffic, i.e. elimination of false alarms and distortion of the parameters of useful signals in the protection devices, as well as reliability in the protection devices, leading to disruption of the operation of the protected ZhAT equipment.

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).A device is known for protecting equipment from overvoltage, containing N input signal terminals for connecting protected equipment, a ground terminal, a first stage of protection on gas-filled arresters connected to second signal terminals, a second stage of protection on bilateral semiconductor voltage limiters connected to the output signal terminals, N isolation electrical resistances, each of which is connected with one terminal to one of the input signal terminals, and the second terminal is connected but with the corresponding output signal output, while two-sided semiconductor voltage limiters of the second stage of protection are interconnected in the form of a multipath star with the number of terminals (N + 1), have the same characteristics and electrical parameters (see RF patent No. 2190916, class N 02 H 9/04, publ. 2002).

Недостатком устройства является сложность конструкции и изготовления, а также ограниченность сферы применения.The disadvantage of this device is the complexity of the design and manufacture, as well as the limited scope.

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).The closest known for its technical essence and the achieved result is a device selected for protecting railway automation from lightning and switching overvoltage, selected as a prototype, consisting of protection stages sequentially connected to linear wires containing varistors and capacitors with step-by-step separation by low-inductance resistors ( see RF patent No. 2050663, class N 02 N 9/04, publ. 1995).

Недостатком устройства является повышенный нагрев ступеней защиты в процессе эксплуатации, что отрицательно сказывается на надежности и эффективности работы.The disadvantage of this device is the increased heating of the protection levels during operation, which adversely affects the reliability and efficiency.

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.The essence of the claimed invention is expressed in the aggregate of essential features sufficient to achieve the technical result provided by the invention, which is expressed in increasing the efficiency of protection and expanding the zone of protected equipment.

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.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for protecting railway automation from lightning and switching overvoltages, consisting of stages of protection connected in series to linear wires and separated by low-inductance resistors, each of which contains a varistor and capacitor in parallel, at the input of the first stage, in series in the linear wires, limiting inductances are included, made in the form of transformers with gas filled in the secondary winding voltage arresters, the middle terminals of which are grounded, and at the output of the last stage, a voltage limiter is connected parallel to the capacitor.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию “новизна”, так как оно не известно из существующего уровня техники.Comparison of the claimed technical solution with the prototype made it possible to establish compliance with its criterion of “novelty”, since it is not known from the existing level of technology.

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.The proposed device is industrially applicable existing technical means and meets the criterion of "inventive step", because it does not explicitly follow from the prior art, while the latter has not revealed any transformations characterized by significant features distinctive from the prototype, to achieve the specified technical result.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.Thus, the proposed technical solution meets the established conditions of patentability of the invention.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.The other known technical solutions for a similar purpose with similar significant features by the applicant was not found.

На фиг.1 представлена структурная схема предложенного устройства, на фиг.2 - то же, развернутая принципиальная схема.Figure 1 presents the structural diagram of the proposed device, figure 2 is the same, a detailed circuit diagram.

Устройство для защиты средств железнодорожной автоматики функционально состоит из трех ступеней защиты:The device for protecting railway automation means functionally consists of three levels of protection:

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;the first stage - transformers 1 and 2, having gas-filled arresters 3 and 4 included in the secondary winding with grounded middle terminals 5 and 6, as well as varistor 7 and capacitor 8;

вторая ступень - ограничительные резисторы 9 и 10, а также варистор 11 и конденсатор 12;the second stage - limiting resistors 9 and 10, as well as a varistor 11 and a capacitor 12;

третья ступень - ограничительные резисторы 13 и 14, а также конденсатор 15 и ограничитель напряжения 16, выполненный в виде стандартного полупроводникового элемента.the third stage - limiting resistors 13 and 14, as well as a capacitor 15 and a voltage limiter 16, made in the form of a standard semiconductor element.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.The operation of the proposed device is as follows.

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).When a high-voltage pulse acts on the input of the device at the initial moment of the front rise, a current arises through capacitors 8, 12, 15 installed in each stage, and the primary windings of transformers 1 and 2 acting as inductive limiters. The presence of inductance at the input of the device reduces the slew rate of the amplitude of the acting pulse (figure 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.A further increase in amplitude causes the operation of the varistor 7 of the first stage, while the current through the inductive limiters 1 and 2 sharply increases, which causes the operation of gas-filled three-electrode arresters 3 and 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.A pulsed current of the order of 50-100 A flows along the grounding circuit 5 and 6 of the middle terminals of the arresters 3 and 4 at the time of discharge, which reduces part of the input pulse noise energy.

Схема включения разрядников 3 и 4 во вторичной обмотке трансформаторов 1 и 2 вызвана необходимостью гальванической развязки цепей заземления от линейных проводов.The circuit for the inclusion of arresters 3 and 4 in the secondary winding of transformers 1 and 2 is caused by the need for galvanic isolation of ground circuits from linear wires.

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.The galvanic separation of the proposed circuit is necessary because of the special requirement for the isolation of linear wires in devices that ensure traffic safety in railway automation and telemechanics systems, namely in rail circuits with tonal frequencies of 420-5555 Hz.

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.A subsequent increase in the amplitude of the pulse (jump-like in the discharge in the circuit of the arresters) causes the inclusion of the second stage varistor 11 with the amplitude limited on the resistors 9 and 10. The final decrease in the level of high-voltage interference occurs at the third stage by the voltage limiter 16 to the required level with the release of energy on the resistors 1, 3, 10 and 14. The selectivity of the operation of the varistors 7, 11 and the voltage limiter 16 in steps is provided by resistors 9, 10, 13 and 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).The proposed device in terms of its characteristics ensures the fulfillment of the requirements for the operation of tonal rail chains. The most important requirements are ensuring the maximum isolation of the linear wires from the ground and ensuring the least attenuation of the useful signal (not more than 5% of the set level), as well as the exclusion of the use of active elements in the protection circuit (failure of which could lead to the appearance of dangerous frequencies for rail circuits with tonal frequencies).

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.The condition providing the nominal attenuation of the useful signal is realized on the basis of operational requirements for rail circuits with tonal frequencies, especially with a frequency range of 4545-5555 Hz, which are most susceptible to attenuation.

Для указанных частот наибольшее допустимое затухание (5%) соответствует параметрам кабельной линии эксплуатационной длины до 1 км.For the indicated frequencies, the maximum permissible attenuation (5%) corresponds to the parameters of the cable line with an operational length of up to 1 km.

Максимальная длина кабельных линий в устройствах АБТ для частот диапазона 4545-5555 Гц в реальных условиях равна 250 м.The maximum length of cable lines in ABT devices for frequencies in the range 4545-5555 Hz in real conditions is 250 m.

Исходя из изложенного, параметры кабельной линии l=750 м использованы в построении и при расчете элементов устройства для защиты.Based on the foregoing, the parameters of the cable line l = 750 m were used in the construction and in the calculation of the elements of the device for protection.

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.Thus, the proposed device allows for the protection of microelectronic equipment automation from lightning and switching overvoltages, providing input voltage limits from 20,000 V to 20 V (remaining voltage), without disturbing the passage of useful frequency signals, both in frequency and voltage.

Claims

A device for protecting railway automation from lightning and switching overvoltages, consisting of stages of protection connected in series to linear wires and separated by low-inductance resistors, each of which contains a varistor and capacitor connected in parallel, characterized in that the limiter is connected sequentially in linear wires at the input of the first stage inductors made in the form of transformers with gas-filled arresters included in the secondary winding, middle leads which are grounded, and at the output of the last stage, a voltage limiter is connected parallel to the capacitor.