УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И ЗАЩИТЫ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ ОТ КОНДУКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам и системам автоматики и телемеханики, и предназначено для стабилизации напряжения вторичного питания и защиты аппаратуры, получающей питание от высоковольтных линий (ВВЛ), от воздействия мощных импульсных помех (МИП), то есть в системах, содержащих приборы и электронные устройства или другого рода узлы, которые могут быть подвержены поражениям от кондуктивных электромагнитных полей.
Из уровня техники известно устройство для электропитания аппаратуры и вторичных источников питания систем автоматики и телемеханики, содержащее высоковольтную линию (ВВЛ), понижающий трансформатор (ПТ), защитные средства со стороны высокого (ЗСВ) и низкого напряжений (ЗСН) (Михайлов А.Ф., Частоедов Л.А. «Электроснабжение устройств автоматики и телемеханики железнодорожного транспорта» - М.: Транспорт, 1980. - 240 с.).
Недостатками данного технического решения заключаются в том, что источники питания аппаратуры являются нестабилизированными и подключаются к высоковольтной линии энергоснабжения (ВВЛ) через трансформаторы, работающие в существенно линейном режиме намагничивания сердечников, а присоединяемые к ним вторичные источники питания, например выпрямительные устройства, имеют коэффициенты передачи (выход: вход), линейно связанные с питающей сетью. Благодаря этому, мощные импульсные помехи (МИП), возникающие в высоковольтных линиях (ВВЛ) вследствие грозовых и молниевых разрядов или коммутационных процессов, с небольшим ослаблением проникают в аппаратуру, которая (особенно электронная) не может противостоять их воздействиям; кроме того, недостатком аналога, как показывает опыт эксплуатации систем, является неспособность существующих защитных средств разрядников, ограничителей (РВНШ, ВОЦШ и др.) рассеивать тепло, создаваемое токами разрядов, и несоответствие требованиям нормативов по теплостойкости, в результате эти средства не выполняют свои защитные функции.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является устройство, описанное в книге Багуца М.Н. «Электропитание устройств железнодорожной автоматик и телемеханики» - М.: Транспорт, 1995. - 290 с.
Устройства питания, рассматриваемые в упомянутом аналоге, имеют те же недостатки, отмеченные выше, а именно: нестабильность питающего напряжения, несоответствие защитных средств этих устройств требованиям по теплостойкости, и кроме того, коэффициенты передачи цепей питания по контуру «ВВЛ - аппаратура» имеет линейную характеристику, что способствует, в конечном итоге, проникновению мощных импульсных помех (МИП) в аппаратуру.
Технической задачей, которая решается заявленной полезной модели, является стабилизация напряжения вторичного питания и защита аппаратуры, получающей питание от высоковольтных линий (ВВЛ), от воздействия мощных импульсных помех (МИП), путем применения параметрических стабилизированных источников питания - защитных параметрических генераторов (ЗПГ).
Технический результат заявленной полезной модели заключается в обеспечении ликвидации отказов аппаратуры при воздействии импульсных помех, повышении надежности и эффективности действия систем, содержащих в своем составе электронные устройства или другого рода узлы, которые могут быть подвержены поражениям от перенапряжений, в том числе систем железнодорожной автоматики и телемеханики.
Указанный технический результат достигается в устройстве электропитания и защиты от кондуктивных электромагнитных помех приборов и аппаратуры автоматики и телемеханики, содержащем понижающий трансформатор, подключенный к высоковольтной линии, средства защиты от электромагнитных перенапряжений, и дополнительно снабженным защитным параметрическим генератором, подключенным между понижающим трансформатором и потребителем электрической энергии. Защитный параметрический генератор выполнен с возможностью подключения в кабельную линию.
Защитный параметрический генератор построен на ферромагнитных сердечниках с неколлинеарными магнитными полями.
Защитный параметрический генератор состоит из ферромагнитного блока, представляющего собой два сердечника, расположенных перпендикулярно друг к другу и размещенные на них две обмотки - входная и выходная и блока конденсаторов, подключенного к выходной обмотке ферримагнитного блока, причем входная обмотка ферромагнитного блока соединена с питающим трансформатором через последовательно включенные диоды.
Средства защиты от электромагнитных перенапряжений представляют собой средство защиты от электромагнитных перенапряжений со стороны высокого напряжения, с одной стороны подключенного к высоковольтной линии, а с другой - к заземляющему резистору, и средство защиты от электромагнитных перенапряжений со стороны низкого напряжения, с одной стороны подключенного к понижающему трансформатору, а с другой - к заземляющему резистору.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена общая схема устройства электропитания и защиты от кондуктивных электромагнитных помех приборов и аппаратуры автоматики и телемеханики; на фиг.2 - схема защитного параметрического генератора.
Общие обозначения:
1 - высоковольтная линия;
2 - понижающий трансформатор;
3 - средства (устройства) защиты от электромагнитных перенапряжений (помех) со стороны высокого (ЗСВ) напряжений;
4 - кабельная линия;
5 - защитный параметрический генератор (ЗПГ);
6 - потребитель электрической энергии;
7 - средства (устройства) защиты от электромагнитных перенапряжений (помех) со стороны низкого (ЗСН) напряжений;
8 - заземляющие резисторы.
Устройство электропитания и защиты от кондуктивных электромагнитных помех приборов и аппаратуры автоматики и телемеханики содержит для защиты аппаратуры от перенапряжений со стороны питающей сети защитный параметрический генератор 5, причем устройства генераторов построены на ферримагнитных сердечниках с неколлинеарными магнитными полями, благодаря чему осуществляется фильтрация выходного напряжения, исключающая проникновение в аппаратуру импульсов перенапряжений в заданном режиме «параметрической» трансформации напряжения между входными и выходными обмотками.
Схема защитного параметрического генератора (фиг.2) состоит из ферромагнитного блока, представляющего собой два сердечника, расположенных перпендикулярно друг к другу и размещенные на них две обмотки - входная и выходная и блока конденсаторов, подключенного к выходной обмотке ферромагнитного блока, причем входная обмотка ферримагнитного блока соединена с питающим трансформатором через последовательно включенные диоды. Работа ЗПГ аналогична работе известного преобразователя типа ПЧ 50/25, применяемого в железнодорожной автоматике.
Предложенный принцип защиты от перенапряжений и импульсных помех проверен в Московском Государственном университете путей сообщения испытательной лабораторией технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики по требованиям электромагнитной совместимости.
В устройстве электропитания и защиты от кондуктивных электромагнитных помех приборов и аппаратуры автоматики и телемеханики между понижающим питающим трансформатором и потребителем электрической энергии устанавливается защитный параметрический генератор, который не трансформирует кондуктивные электромагнитные помехи в обмотку резонансного контура генератора. В резонансном контуре генератора происходит накачка энергии только от электрического тока частотой 50 Гц. Для всех остальных частот возникающих от кондуктивных электромагнитных помех защитный параметрический генератор является заграждающей пробкой. В Московском Государственном университете путей сообщения испытательная лаборатория технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики по требованиям электромагнитной совместимости произведена проверка зашитых свойств параметрического преобразователя частоты ПЧ50/25-300УЗ от мощных импульсных помех. Преобразователь частоты ПЧ50/25-300УЗ снижает амплитуду испытательного воздействия МИП, поданного по схеме «провод-провод» в 500 раз. Протокол №1/09 испытательный ТС ЖАТ на помехоустойчивость по ГОСТ Р 50656-2001 на 9-и листах прилагается. На рисунке 1 Протокола на нижней кривой (2) показана амплитуда импульса 3,5 кВ от воздействия МИП на входе параметрического преобразователя, а на верхней кривой (1) на выходе генератора 0 кВ.
Устройство электропитания и защиты от кондуктивных электромагнитных помех приборов и аппаратуры автоматики и телемеханики работает следующим образом: в рабочем режиме напряжение в высоковольтной (питающей) линии 1, защищаемое от грозовых и молниевых разрядов средствами защиты от электромагнитных перенапряжений (помех) со стороны высокого 3 и низкого 7 напряжений, через понижающий трансформатор 2 и кабельную линию 4 поступает на вход защитного параметрического генератора 5, а с его выхода в нагрузку потребителям электрической энергии 6 через защитные устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство электропитания и защиты от кондуктивных электромагнитных помех приборов и аппаратуры автоматики и телемеханики с использованием параметрических генераторов, обеспечивает не только защитные функции, но высокую стабильность выходного напряжения (коэффициент стабильности 30), что весьма важно для улучшения технических характеристик работы устройств.
Кроме того заявленное устройство электропитания и защиты от кондуктивных электромагнитных помех приборов и аппаратуры автоматики и телемеханики обладает фильтрующими свойствами для гармоник спектра мощных импульсных помех (МИП) за счет использования параметрического генератора, построенного на ферримагнитных сердечниках с неколлинеарными магнитными полями.
В случае попадания грозовых разрядов на высоковольтную линию проникновение возникающих при этом импульсов перенапряжений в аппаратуру практически невозможно, благодаря конструкции и насыщенному состоянию магнитной системы параметрического генератора.
Заявленная полезная модель позволяет обеспечить защиту аппаратуры от воздействия мощных импульсных помех со стороны питающих линий, повысить надежность работы устройств и систем, содержащих в себе в качестве комплектующих изделий коммутационные (реле) и электронные элементы, путем обеспечения энергоснабжения аппаратуры от вторичных источников питания (ВИП) защитных стабилизированных параметрических генераторов (ЗПГ), являющихся неотъемлемой частью устройств и систем автоматики.
Предлагаемая полезная модель может использоваться как защитное устройство от мощных импульсных помех (МИП) в любых системах, в которых применяются электронные или другие элементы.