УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
DEVICE FOR PROTECTION FROM PULSED SIGNALS

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты различной аппаратуры, преимущественно критичной к воздействию помех, передающихся по проводникам.
Обычно для защиты от коротких импульсов с опасно высоким напряжением в линиях передачи применяют электронные компоненты. Но включаемые на входе аппаратуры мощные защитные приборы обладают недостаточным быстродействием, делая защиту от коротких импульсов не соответствующей паспортным данным приборов, а быстродействующие защитные приборы обладают недостаточной мощностью, делая защиту от мощных импульсов ненадежной, что оставляет нерешенной проблему защиты аппаратуры простыми средствами. То есть современные защитные электронные компоненты либо перегорают от воздействия мощных коротких импульсов с опасно высоким напряжением, либо не успевают срабатывать, и защищаемая аппаратура выходит из строя.
Известно устройство защиты потребителей от превышения напряжения в сети питания [Борисов А.П., Гурлев В.А., Карпов Г.К., Павлов В.Н. Патент на изобретение; дата публикации: 1995.10.20, номер публикации: 2046485], выбранное за аналог, заключающийся в том, что устройство обладает повышенной помехоустойчивостью от высокочастотных единичных импульсов в сети питания, обеспечивает обесточивание потребителя при превышении напряжения в сети выше уровня настройки, что достигается введением в устройство резистивного делителя с переменным резистором, исполнительного элемента с катушкой электромагнитного переключателя, схемы управления с пороговым элементом, состоящей из двух последовательно включенных диодов, и интегрирующей RC-цепи.
Недостатком этого устройства является обесточивание потребителя, что нельзя допускать, если обесточивание произойдет, к примеру, во время жизненно важной медицинской операции пациента, где применяется современное электронное оборудование. К тому же в данном прототипе используются радиоэлектронные компоненты, что не дает полную гарантию защиты от мощных коротких импульсов с опасно высоким напряжением.
Известно устройство защиты приемного тракта РЛС от мощного электромагнитного излучения (МЭМИ) [Карельский И.Н., Нестеров А.А. Патент на полезную модель; дата публикации: 1999.01.27, номер публикации: 98103128], выбранное за аналог, заключающийся в том, что импульсная мощность на входе приемного тракта РЛС составляет более 1 МВт, а длительность импульса составляет несколько десятков наносекунд, состоит из мощного инерционного защитного разрядника, выход которого соединен через линию задержки (коаксиальный кабель) с быстродействующим разрядником, отличающееся тем, что в целях защиты приемного тракта РЛС от импульсов МЭМИ в схему дополнительно вводят датчик МЭМИ, вход которого соединен с входом мощного инерционного защитного разрядника и схему формирования импульса поджига, вход которой соединен с выходом датчика МЭМИ, а выход с электродом поджига быстродействующего разрядника, параметры линии задержки подобраны таким образом, чтобы время прохождения импульса МЭМИ через линию задержки было больше или равно времени срабатывания цепи датчик-схема формирования импульса поджига и времени формирования поджигающего разряда на быстродействующем разряднике до его принудительного пробоя.
Недостатком этого устройства является отсутствие многоразового использования мощного инерционного защитного разрядника, его нужно каждый раз менять после срабатывания. К тому же использование радиоэлектронных компонентов только увеличивает себестоимость устройства.
Известно устройство защиты входа радиоприемника от электромагнитного импульса ядерного взрыва [Веселов Д.А., Пониматкин В.Е., Сычугов В.А., Вихлянцев А.А., Шакиров П.А. Патент на полезную модель; дата публикации: 1998.07.27, номер публикации: 96106554], выбранное за аналог, заключающийся в том, что содержит штыревую антенну, соединенную кабельной линией с приемником, отличающееся тем, что с целью разделения сигналов радиосвязи и электромагнитного импульса ядерного взрыва дополнительно введены трехсекционный автотрансформатор, две емкости и запирающая катушка, при этом штыревая антенна соединена с автотрансформатором так, что две секции его соединены между антенной и корпусом устройства, одна из этих секций совместно с третьей секцией, соединенные с антенной, образуют симметричный выход автотрансформатора, причем обе секции шунтируются соединенными параллельно емкостями, симметричный выход автотрансформатора соединен через обмотки запирающей катушки с выходом приемного устройства.
Недостатком этого устройства является использование радиоэлектронных полупроводниковых компонентов. Полупроводниковые компоненты в условиях радиации быстро выходят из строя, срок годности такой защитной аппаратуры соответственно не большой.
Известно устройство активной защиты от слабых биоэнергетических электромагнитных полей различного происхождения [Макаревич А.В., Коноплев С.П. Патент на изобретение; дата публикации: 1999.06.27, номер публикации: 2132204], выбранное за аналог, заключающийся в том, что техническим результатом является повышение эффективности защиты от слабых электромагнитных, технических и биоэнергетических полей за счет устранения эффекта "клетки Фарадея". Устройство включает экран, выполненный в виде сетки из "золотой крученки", и передающую антенну. Для устранения эффекта "клетки Фарадея" антенна расположена между экраном и телом человека. Электромагнитные колебания сверхнизкой интенсивности, возбужденные в антенном контуре с помощью генератора звуковой частоты, модулированной через модулятор от генератора электрических импульсов частотой 10 Гц, стимулируют организм человека. Частота модуляции выбрана по методике доктора Р.Фолля и равна 10 Гц.
Несмотря на то что в данном аналоге отсутствуют радиоэлектронные компоненты, недостатком этого устройства является отсутствие защиты от сильных электромагнитных полей различного происхождения.
Известно устройство защиты электроприемников от воздействия разрядов молнии и электромагнитных импульсов, наводимых разрядом в магистральных кабельных линиях электропередачи [Ханевич С.В., Скачков Ю.Н., Северин А.Е., Ханевич B.C. Патент на полезную модель; дата публикации: 2003.07.10, номер публикации: 2001126011], выбранное за аналог, заключающийся в том, что состоит из защитного коммутатора, оборудованного системой автоматической замены коммутаторов, системой заземления и выводами к датчику перенапряжения, и состоящее из корпуса кассеты с тремя блоками по три защитных коммутатора в каждом блоке, подающей пружины, штока фиксации с пружинами штоков, планки, пружины, шинки заземления, заземляющего вывода, отверстий фиксации, скользящего контакта от датчика перенапряжения с выводами к датчику, корпуса защитного коммутатора, верхнего электрода, проходных изоляторов, нижнего электрода, заземляющего электрода, пластичной изоляции, электродетонатора с термоизолятором, разрушаемой вставки, масла, воздушных полостей, проводов к электродетонатору, термоизолятора проводов и подпружиненного замка, удерживающего жилы кабеля.
Несмотря на то что в данном аналоге существует автоматическая замена коммутаторов, недостатком этого устройства является отсутствие многоразового использования коммутаторов, их нужно каждый раз менять после срабатывания.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство «Модальный фильтр» [Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Патент на полезную модель; дата публикации: 2008.12.27, номер публикации: 79355], выбранное за прототип, состоящее из трех проводников с диэлектрическим заполнением, отличающееся тем, что параметры устройства выбраны так, что разность погонных задержек четной и нечетной мод, возбуждаемых импульсным сигналом, больше длительности импульсного сигнала.
Недостатком модального фильтра является то, что устройство не защищает от импульсов длительностью, большей, чем разность погонных задержек четной и нечетной мод.
Заявляемое устройство защиты от импульсных сигналов, состоящее из трех параллельных проводников в диэлектрическом заполнении, первый и второй из которых на одном конце устройства электрически соединены с цепью источника импульсных сигналов, а на другом конце - с защищаемой цепью, отличающееся тем, что в устройство введены два резистора, электрически соединенных со вторым и третьим проводниками на обоих концах устройства, а форма и расположение проводников и диэлектриков в поперечном сечении устройства, относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков и длина проводников устройства выбраны так, что разность полных задержек четной и нечетной мод, возбуждаемых импульсным сигналом, больше его длительности, а первый и второй проводники выбраны так, что импульсный сигнал в конце устройства разлагается на два импульса с меньшей амплитудой.
Достоинством заявляемого устройства защиты от импульсных сигналов, в отличие от прототипа, является то, что оно может защищать от импульсов длительностью, меньшей, чем разность не погонных, а полных задержек четной и нечетной мод. Таким образом, длительность импульсов, от которых защищает устройство, имеет гораздо более широкий диапазон за счет длины проводников (поскольку полная задержка равна погонной задержке, умноженной на длину).
Теория и практика работы устройства опубликована в монографии (Заболоцкий A.M., Газизов Т.Р. Временной отклик многопроводных линий передачи. Томск: Томский государственный университет, 2007. 152 с.). Принцип работы устройства представлен с помощью фиг.1 на пяти примерах, когда три параллельных проводника в диэлектрическом заполнении могут быть в виде трехпроводных кабелей (фиг.1а, б) и различных полосковых структур (фиг.1в-д), с соответствующим выбором первого (активного), второго (опорного) и третьего (пассивного) проводников устройства. Однако поперечное сечение может быть и другого вида.
На фиг.2 приведена схема заявляемого устройства и его соединений. Устройство содержит три параллельных проводника в диэлектрическом заполнении 4 и два резистора 3, 6 (R2, R4). Первый (верхний по схеме) и второй (опорный, представленный обозначением схемной земли) проводники на одном конце устройства электрически соединены с цепью источника импульсных сигналов, представленного на схеме идеальным источником э.д.с. 1 и внутренним сопротивлением 2 (R1). На другом конце устройства эти проводники соединены с защищаемой цепью, представленной на схеме эквивалентным сопротивлением 5 (R3). Два резистора 3, 6 (R2, R4) электрически соединены со вторым (опорным) и третьим (пассивным) проводниками на обоих концах устройства.
Техническим результатом является обеспечение защиты от коротких импульсов с опасно высоким напряжением в линиях передачи, подключаемых к защищаемым цепям. Технический результат достигается, прежде всего, за счет неоднородного диэлектрического заполнения, в котором размещены три проводника устройства: геометрические параметры проводников и диэлектриков, а также относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков выбираются таким образом, что определяемые этими параметрами погонные задержки четной и нечетной мод распространения поперечной электромагнитной волны не равны друг другу. (В однородном диэлектрическом заполнении, т.е. из одного диэлектрика, задержки мод равны друг другу. Кроме того, они могут быть равными и при неоднородном диэлектрическом заполнении, т.е. при наличии более одного диэлектрика, но только при определенном выборе параметров. Указанное неравенство может быть обеспечено в некоторых структурах с существенными потерями в проводниках и диэлектриках за счет различия потерь для каждой моды. Но в заявляемом устройстве такое неравенство обеспечивается именно за счет неоднородности диэлектрического заполнения при соответствующем выборе параметров, т.е. неравенство имеет место даже в случае пренебрежимо малых потерь.) Тогда разность погонных задержек четной и нечетной мод не равна нулю, и выбором длины устройства достигается значение полной разности задержек четной и нечетной мод, большее, чем длительность воздействующего импульса. Наконец, выбором пары проводников устройства, по которым подается сигнал, получается разложение импульсного сигнала в конце устройства на два импульса с меньшей амплитудой. (Разложение будет при определенном выборе пары проводников воздействия и может не быть при другом выборе. Например, для случая расположения проводников в линию, разложение будет при расположении проводников «активный-опорный-пассивный» и не будет при расположении «активный-пассивный-опорный». Кроме того, разложение может быть неполным, например, из-за «размывания» импульса вследствие дисперсии, т.е. два импульса могут частично перекрываться, но результирующее напряжение будет меньше, чем при отсутствии разложения.) Резисторы устройства обеспечивают поглощение части энергии импульсного сигнала. (Выбор сопротивления резисторов принципиального значения не имеет, поскольку явление разложения будет при любом выборе. Если сопротивления резисторов выбраны из условия псевдосогласования, т.е. равными соответствующим диагональным значениям матрицы характеристических импедансов, то в резисторах будет поглощаться максимальная энергия, а отражения от них будут минимальными, что приведет к минимальным амплитудам импульсов разложения.)