УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ АППАРАТУРЫ И ЛИНЕЙНО-КАБЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРОВОДНОЙ СВЯЗИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ
DEVICE FOR PROTECTION OF RAILWAY HARDWARE AND LINE-CABLE STRUCTURES OF WIRE COMMUNICATION

Изобретение относится к устройствам связи, в частности к устройствам защиты линейных кабельных цепей железнодорожной связи, и может быть использовано на железнодорожном транспорте для повышения безопасности работы системы связи, оперативности выявления и ликвидации последствий возникновения опасных ситуаций на линиях и в устройствах оперативной технологической связи.
Известно устройство для защиты низковольтных фидеров электроснабжения постов электрической централизации на железных дорогах, состоящее из трансформаторной подстанции, к которой подключен фидер электроснабжения, соединенный через автоматический выключатель с вводной панелью поста электрической централизации, снабженное датчиками тока в каждом из фазных проводов и нулевом проводе, датчиком дифференциальной токовой защиты, блоком управления автоматическим выключателем, исполнительным блоком защиты, электронным блоком преобразования информации и блоком регистрации и оповещения аварийных режимов, причем выходы датчиков тока и датчика дифференциальной токовой защиты соединены с соответствующими входами электронного блока преобразования информации, выходы которого соединены соответственно через блок управления автоматическим выключателем с исполнительным блоком защиты, а через блок регистрации и оповещения аварийных режимов - с вводной панелью, установленной на посту электрической централизации (RU25117 U1, H01H 77/00, 10. 09.2002).
Известное устройство обеспечивает защиту от опасных токов и перенапряжений низковольтных фидеров электроснабжения постов электрической централизации (ЭЦ). Однако оно не обеспечивает защиту оболочки кабелей связи от наводимых напряжений от внешних источников электромагнитных полей, таких как контактной сети, линий электропередач, а также грозовых разрядов.
Известен комплекс аппаратно-программных средств автоматизации диагностирования и контроля устройств и управления технологическими процессами, включающий функциональный модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока, содержащий микропроцессорный элемент для предварительной обработки информации входных дискретных сигналов и синхронного обмена информацией с удаленным концентратором связи по цепям с элементами гальванической развязки, элемент стабилизации напряжения питания микропроцессорного элемента и каналы ввода дискретных сигналов напряжения постоянного тока, входные цепи которых содержат последовательно соединенные резистор, диод и стабилитрон, предназначенный для отсечки помех, а также элемент гальванической оптронной развязки, при этом входные цепи объединены в группы для сокращения числа общих проводов, а выходы элементов оптронной развязки опрашиваются микропроцессорным элементом матричным способом для сокращения необходимого числа его линий ввода/вывода (RU 61438 U1, G05B 15/00, G05B 19/4063, B61L 27/04, 27.02.2007).
В известном комплексе диагностирование осуществляют с помощью связанных с контроллерами концентраторов связи, имеющих матричную структуру обмена информацией с распределенной системой функциональных модулей по линиям связи типа «токовая петля» с синхронным бит-последовательным способом обмена информацией, система электропитания комплекса содержит развязывающие трансформаторы, устройства защиты от электрических перегрузок и помех по сети питания и блоки бесперебойного питания с преобразователями напряжения
Известный комплекс обеспечивает защиту входных цепей и системы питания от воздействия внешних помех и перегрузок. Однако он не обеспечивает защиту аппаратуры связи от протекания опасных величин токов по оболочкам кабелей и от атмосферных и внешних коммутационных перенапряжений.
Наиболее близким аналогом является система молниезащиты железнодорожного диспетчерского центра, содержащая, по крайней мере, одну сигнальную линию, ведущую к расположенным в помещении установкам железнодорожного диспетчерского центра, и заземляющий провод, связывающий сигнальную линию с заземлением через разрядник, в цепи которого определяются пики тока величиной, выше заранее заданного порогового значения, блок измерений для определения силы тока в заземляющем проводе, в частности путем измерения магнитного поля поблизости от заземляющего провода, схему выборки, позволяющую подсчитывать только те броски тока, возникающие в заземляющем проводе, сила тока которых превышает заранее заданное пороговое значение, и схему задержки для блокирования подсчета пиков в течение заданного периода времени, следующего после того, как сила тока в заземляющем проводе превысила пороговое значение (ЕР 2362512 Al, B61L 1/00, H02G 13/00, 13.08.2011).
В известной системе величина бросков тока определяется с помощью магнитного поля в пространстве, окружающем заземляющий провод методом измерения величины магнитной индукции или посредством эффекта Холла. После достижения заранее определенного числа пиков разрядник проверяют и при необходимости заменяют.
Известная система с помощью установки соответствующих разрядников обеспечивает защиту сигнальных линий от опасного воздействия грозовых разрядов и кратковременных пиковых токов. Однако известное техническое решение не контролирует величину тока, протекающего по металлической защитной оболочке кабеля, оценку его величины для обеспечения своевременной защиты аппаратуры связи.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства защиты аппаратуры и линейно-кабельных сооружений проводной связи на железнодорожном транспорте от воздействий грозовых разрядов, наведенных токов и внешних коммутационных перенапряжений.
Технический результат заключается в повышении безопасности работы системы связи, оперативности выявления и ликвидации последствий возникновения опасных ситуаций на линиях и в устройствах оперативной технологической связи.
Устройство защиты аппаратуры и линейно-кабельных сооружений проводной связи на железнодорожном транспорте содержит для каждого вида проводной связи соответствующий блок защиты, включающий последовательно соединенные модуль первой ступени защиты, входами подключенный к разъему для соединения с жилами кабеля связи, и модуль второй ступени защиты, выходом подключенный к цепям аппаратуры связи, а также блок мониторинга, включающий последовательно соединенные блок сравнения и микроконтроллер, токовые датчики для измерения тока в заземляющем проводе модуля первой ступени защиты каждой блока защиты и токовые датчики для измерения токов в заземленных оболочках кабелей каждой линии связи, при этом выходы токовых датчиков подключены к входам блока сравнения, один выход микроконтроллера по стыку Ethernet подключен к аппаратно-программному устройству дежурного единой системы мониторинга и администрирования, а другой выход - к соответствующему разъему для подключения переносного устройства мониторинга и администрирования, причем программное обеспечение микроконтроллера выполнено с возможностью анализа результатов сравнения значений тока в измеряемых цепях с пороговыми значениями в режиме реального времени.
Для контроля работоспособности моделей второй степени защиты устройство включает дополнительный токовый датчик для измерения тока в общем заземляющем проводе модулей второй ступени защиты всех блоков защиты.
Токовые датчики выполнены в виде датчиков Холла. Для удобства эксплуатации блок мониторинга снабжен блоком индикации, входами подключенный к соответствующим выходам микропроцессора.
Для оперативного информирования об опасных ситуациях для работы эксплуатационного персонала и функционирования оборудования связи автоматизированное рабочее места дежурного единой системы мониторинга и администрирования дополнительно включает средства звуковой и световой сигнализации с возможностью визуального отображения места появления опасных ситуаций на табло.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема варианта выполнения предлагаемого устройства.
Устройство защиты аппаратуры и линейно-кабельных сооружений проводной связи на железнодорожном транспорте содержит для местной (МС), избирательной (ИС), цифровой (ЦС) и перегонной (МП) связи соответствующий блок 1, 2, 3 и 4 защиты. В предлагаемом варианте блоки 1-4 защиты построены по двухступенчатому принципу ограничения перенапряжения.
Блок 1 защиты для местной связи включает модуль 5 первой ступени защиты, входами соединенный с разъемом 6 для подключения к жилам кабеля 7 местной связи, и модуль 8 второй ступени защиты, входами подключенный к выходам модуля 5 первой ступени защиты, а выходом - к цепям 9 аппаратуры местной связи.
Блок 2 защиты для избирательной связи включает модуль 10 первой ступени защиты, входами соединенный с разъемом 6 для подключения к жилам кабеля 11 избирательной связи, и модуль 12 второй ступени защиты, входами подключенный к выходам модуля 10 первой ступени защиты, а выходом - к цепям 13 аппаратуры избирательной связи.
Блок 3 защиты для перегонной связи включает модуль 14 первой ступени защиты, входами соединенный с разъемом 6 для подключения к жилам кабеля 15 перегонной связи, и модуль 16 второй ступени защиты, входами подключенный к выходам модуля 14 первой ступени защиты, а выходами - к цепям 17 аппаратуры перегонной связи.
Блок 4 защиты для цифровой связи включает модуль 18 первой ступени защиты, входами соединенный с разъемом 6 для подключения к жилам кабеля 19 цифровой связи, и модуль 20 второй ступени защиты, входами подключенный к выходам модуля 19 первой ступени защиты, а выходом - к цепям 21 аппаратуры цифровой связи.
Устройство включает также блок мониторинга, содержащий последовательно соединенные блок 22 сравнения и микроконтроллер 23, токовые датчики 24, 25, 26 27 для измерения тока в заземленных оболочках кабелей 7 11, 15, 19 связи, токовые датчики 28, 29, 30 и 31 для измерения тока в заземляющем проводе соответственно модулей 5, 10,14, 18 и токовый датчик 32 для измерения тока в общем заземляющем проводе модулей 8, 12, 16 и 20 всех блоков 1-4 защиты.
При этом выходы токовых датчиков 24-32 подключены к входам блока 22 сравнения, один выход микроконтроллера 23 по стыку 33 Ethernet подключен к аппаратно-программному устройству единой системы мониторинга и администрирования (не чертеже не указан), а другой выход - к соответствующему разъему для подключения переносного устройства мониторинга и администрирования (не чертеже не указан). Программное обеспечение микроконтроллера 23 выполнено с возможностью анализа результатов сравнения значений токов в измеряемых цепях с пороговыми значениями в режиме реального времени и передачи информации в систему мониторинга и администрирования.
Устройства защиты линий оперативной технологической связи (ОТС) на железнодорожном транспорте строятся с учетом влияния внешних воздействий грозовых разрядов, взаимного расположения линий связи по отношению к линиям электропередач и контактной сети электрифицированных железных дорог, а также с учетом внешних источников электромагнитного воздействия.
В случае попадания на линию связи сетевого напряжения модули 5, 10, 14 и 18 первой ступени должны защищать аппаратуру связи, как по напряжению, так и по току.
Для обеспечения непрерывного контроля и регистрации импульсных перенапряжений, возникающих в линиях связи, осуществляют мониторинг протекающих токов в устройстве защиты.
Мониторинг протекающих токов в устройстве защиты является составным элементом системы мониторинга и администрирования (СМА) на объектах связи, которая является составной частью единой системы мониторинга и администрирования (ЕСМА) сети связи железнодорожного транспорта.
Функции системы мониторинга и администрирования реализуются в следующих основных режимах:
- местный (осуществляется в помещениях расположения оборудования связи);
- дистанционный (осуществляется в помещениях, где не расположено оборудование связи, но находится в том же здании или осуществляется с рабочего места дежурной смены, если она предусмотрена);
- удаленный (осуществляется из мест, удаленных от объекта связи); блок мониторинга предлагаемого устройства осуществляет контроль и представление оператору СМА следующую информацию:
- о срабатывании разрядников первой ступени защиты в каждом блоке и о срабатывании защиты во второй ступени в любом блоке;
- о воздействии на линии связи импульсов перенапряжения с разрядным током более 0,5 кА;
- о протекания переменного тока 50 Гц в оболочках контролируемых кабелей.
Устанавливаемые в устройстве схемы модулей 5, 10, 14, 18 защиты первой ступени по напряжению, или по напряжению и по току строятся на базе разрядников и ограничителей тока.
Схемы модулей 8,12,14.16 второй ступени защиты по напряжению, или по напряжению и по току строятся на базе быстродействующих диодов с малой емкостью.
Для защиты аппаратуры и линейно-кабельных сооружений местной связи 9 (МС 9) в схеме модуля 5 первой ступени защиты используют разрядник, а в схеме модуля 8 второй ступени защиты - супрессоры. Разделение модулей 5 и 8 первой и второй ступени защиты обеспечивают резисторами, самовосстанавливающимися предохранителями или с помощью дросселей (на чертеже не показаны).
Защиту аппаратуры и линейно-кабельных сооружений избирательной связи 13 (ИС 13) осуществляют по двухступенчатой схеме, такой же, как и в защите линий МС 9. При этом для гальванической развязки линейной и станционной сторон избирательной связи используют изолирующий низкочастотный трансформатор (на чертеже не показан).
При пересечении линий связи с ЛЭП или контактным проводом схему блоков 1-4 защиты дополняют предохранителями, срабатывающими от длительно протекающих токов, превышающих допустимые значения.
Аналогично осуществляют защиту аппаратуры и линейно-кабельных сооружений перегонной связи. При этом схема блока 3 защиты дополняют резонансными контурами для снятия опасного напряжения частотой 50 Гц.
Для защиты аппаратуры цифровых систем передачи данных со скоростью до 1 Мбит/с и дистанционным питанием в схеме модуля 18 первой ступени защиты используют разрядник, а в схеме модуля 20 второй ступени защиты - супрессоры. Разделение модулей 18 и 20 осуществляют резисторами или позисторами (на чертеже не показаны).
Регистрацию протекания переменного тока 50 Гц в оболочке кабеля осуществляют путем бесконтактного измерения тока в цепи защитного заземления. Регистрацию воздействия на линии связи импульсов перенапряжения осуществляют путем измерения импульсного тока разряда в цепи защитного заземления.
В качестве токовых датчиков тока 24 - 32 используют датчики Холла. Устройство работает следующим образом.
Установленные на кабелях 7, 11, 15, 19 связи датчики 24, 25, 26, 27 фиксируют наличие тока в их защитной оболочке. Измерение тока в оболочках кабелей 7, 11, 15, 19 линий связи позволяет в режиме реального времени осуществлять постоянный контроль всех возможных случаев попадания на них опасных токов промышленной частоты, появления кратковременных грозовых разрядов и коммутационных перенапряжений.
Кроме того, в блоках 1, 2, 3, 4 в цепи защитного заземления каждого из модулей 5, 10, 14,18 первой ступени и в цепи общего защитного заземления всех модулей 8, 12, 16, 20 второй степени защиты измеряют величину тока. Измерение осуществляют с помощью соответствующих датчиков 28 - 32.
Измерение величины тока после его снижения каждым модулем 5, 10, 14, 18 позволяет контролировать работоспособность каждого модуля первой ступени защиты. Измерение тока в цепи общего защитного заземления всех модулей 8, 12, 16, 20 позволяет контролировать работоспособность модулей второй ступени защиты.
От токовых датчиков 24-32 информация о фактических величинах кратковременных и длительных токов, протекающих по оболочке и линейным цепям кабелей, импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений, а также о величинах токов после их снижения каждым модулем 5, 10, 14, 18 и модулями 8, 12, 16 и 20 поступает в блок 22 сравнения, который сравнивает их с пороговыми значениями.
Для контролируемых типов кабелей железнодорожной проводной связи длительные величины токов равны соответственно 10 А для защитной оболочки и 1 А для линейных кабельных цепей. Все длительные, импульсные и кратковременные значения воздействующих на кабели связи токов и перенапряжений фиксируются в блоке 22 сравнения по времени, величине и количеству импульсов. Единичные и интегральные значения импульсных токов в блоке 22 сравниваются с допускаемыми пороговыми значениями и передаются в микроконтроллер 23.
Микроконтроллер 23 в режиме реального времени осуществляет анализ результатов сравнения. Результаты анализа измеряемых датчиками 24-32 значений тока и напряжения отображаются на табло блока индикации (на чертеже не показан). При возникновении на оболочке какого-либо кабеля связи или измеряемых цепей величин токов, превышающих допустимое пороговое значение, микроконтроллер 23 по стыку 33 Ethernet передает на автоматизированное рабочее место дежурного (диспетчера) системы мониторинга и администрирования соответствующую информацию. Переданная информация инициирует на пульте АРМ-а дежурного средства звуковой и световой сигнализации с отображением на табло АРМ-а места появления опасных значений тока. Дежурный системы мониторинга и администрирования сообщает электромеханику связи о возникшей на контролируемом объекте нестандартной ситуации. Электромеханик с помощью переносного внешнего устройства контроля подключается к микроконтроллеру 23 и уточняет узел, на котором возникла опасная ситуация, и принимает меры к ликвидации опасных последствий.
Таким образом, устройство защиты аппаратуры и линейно-кабельных сооружений проводной связи позволяет оперативно выявить возникающие на контролируемых объектах в линейно-кабельных сооружениях и аппаратуре проводной связи опасные ситуации для работы эксплуатационного персонала и функционирования оборудования.