ВВОДНО-ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ПАРКОВОЙ СИСТЕМЫ ГРОМКОГОВОРЯЩЕГО ОПОВЕЩЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель, относится к электротехнике и связи, касается вводно-защитного устройства парковой системы громкоговорящего оповещения (далее ВЗУ-ПСГО), предназначенного для защиты станционной аппаратуры (усилителей, коммутационных устройств) от импульсов перенапряжения, вследствие нештатных электромагнитных воздействий природного и техногенного характера на линейные цепи. ВЗУ-ПСГО разработано для включения в цепи действующих и вновь вводимых в ОАО «РЖД» систем парковой связи громкоговорящего оповещения (далее ПСГО).
Известно устройство защиты линий и аппаратуры проводной связи от импульсов перенапряжений, содержащее трехэлектродный разрядник, главные электроды которого включены между проводами двухпроводной линии связи, третий электрод включен на землю, и дроссели, включенные в каждую линию связи. Между выходами дросселей параллельно входу защищаемой аппаратуры включен стабилитрон (авторское свидетельство СССР N 1163414, кл. H02H 9/06, 1985).
Недостатком известного устройства является то, что уровень ограничения перенапряжений линия земля определяется параметрами разрядника. Минимальный порог срабатывания известных трехэлектродных разрядников 120-140 В, что недопустимо для цифровых и аналоговых микросхем.
Известно устройство для защиты от перенапряжений аппаратуры двухпроводной линии связи, содержащее для каждой линии трехэлектродный разрядник, главные электроды которого подключены к входным вводам, к которым также подключена цепочка из последовательно соединенных резистора, первичной обмотки импульсного сопротивления на вольт-амперной характеристике, скачкообразно переключающегося при любой полярности входного сигнала, а вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена к поджигающему и одному из главных электродов разрядника, к которому также подключена цепь из встречно включенных стабилитронов, подключенных параллельно защищаемой цепи, и нелинейного сопротивления, причем другой вывод последнего соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора (авторское свидетельство СССР N 668039, кл. H02H 9/06, 1979).
Недостаток такого устройства заключается в сложности схемного решения, которое приводит к снижению надежности и долговечности, а также высокой стоимости. Данное устройство нельзя применять там, где нормируется величина активного сопротивления линии связи.
Известно устройство для защиты линий связи от перенапряжений, которое содержит трехэлектродный разрядник, включенный между проводами линий связи, третий электрод которого заземлен, последовательно включенные в каждую линию связи дроссели с взаимоиндукцией и ограничивающими сопротивлениями и полупроводниковые элементы (варисторы), подключенные с каждого провода на заземляющий контур (авторское свидетельство СССР N 955351, кл. H02H 9/06, 1982).
Однако данное устройство отличается недостаточным быстродействием при действии импульсов перенапряжения с крутым фронтом и низкой надежностью при действии импульсов перенапряжения большой длительности. Наличие в данном устройстве ограничительных резисторов исключает возможность его использования для защиты линий связи с нормируемым сопротивлением, для связи аппаратуры с датчиками, имеющими токовый выход, на которые накладываются жесткие ограничения на величину сопротивления нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является устройство защиты от грозовых импульсов перенапряжений двухпроводной линии связи (RU 2050663 C1, кл. H02H 9/04, H02H 9/06, опубл. 20.12.1995 г.), принятое за ближайший аналог (прототип).
Устройство, по прототипу, включает двупроводную линию связи, три ступени защиты: первая ступень содержит включенные в каждый из проводов неуправляемые разрядники и заземляющий контур; вторая ступень защиты содержит включенные в каждый из проводов варисторы и подключенные параллельно им конденсаторы, два дросселя, включенных последовательно в каждый из проводов между первой и второй ступенями защиты, двусторонние полупроводниковые ограничители между выходными клеммами и заземляющим контуром. Устройство позволяет повысить быстродействие, снизить напряжение срабатывания, обеспечить защиту аппаратуры при действии на линии связи грозовых импульсов перенапряжения большой длительности.
Однако при этом, описанное в качестве прототипа устройство не лишено недостатков:
во-первых, его недостатком являются ограниченные функциональные возможности, так как он предназначен только для двухпроводных линий связи;
во-вторых, применение прототипа возможно только на слаботочных цепях связи и не может применяться для включения в цепи усилитель - громкоговорители, токи в которых, могут достигать 5 ампер;
в-третьих, примененная схема использует два дросселя, намотанных встречно на одном магнитопроводе для частичной компенсации встречными магнитными потоками мощности, выделяемой на варисторах, что при пятипроводной схеме работы линии связи неприменимо, вследствие недопустимых взаимовлияний, оказываемых в цепях переговорных устройств и громкоговорителей при нормальной эксплуатации;
в-четвертых, в прототипе во второй ступени применены еденичные варисторы типа CH, а в предлагаемой полезной модели используется варисторная сборка, суммарная рассеиваемая энергия которой в несколько раз выше, что снижает перегрев и деградацию элементов схемы в течение длительной эксплуатации.
В настоящее время, в соответствии с отраслевыми документами, все железнодорожные станции ОАО "РЖД" оборудованные электрической централизацией, оснащаются системами ПСГО. Система ПСГО предназначена для ведения оперативных переговоров руководителя с исполнителями, управления перевозочными процессами в пределах станции, а так же для обеспечения безопасности работников на путях. Перерыв в работе данной системы снижает показатели эффективности производственного процесса и безопасности людей.
Конструктивно система ПСГО состоит из линейных и станционных составляющих. Линейные элементы (опоры, громкоговорители, переговорные устройства, соединительные провода, кабели) могут подвергаться нештатным внешним электромагнитным воздействиям, вызывающим мешающие и опасные влияния на станционные элементы системы ПСГО, что приводит к появлению помех и повреждению аппаратуры. При проектировании современных систем ПСГО данные влияния стараются минимизировать, применяя специальные меры (использование кабеля в защитной броне, выбор трассы прокладки кабеля с учетом опасного влияния контактной сети в режиме короткого замыкания и т.п.), что приводит к существенному увеличению стойкости систем ПСГО к внешним влияниям. Зачастую применение специальных мер требует существенного увеличения стоимости проектируемой системы ПСГО, которые вместе с тем не обеспечивают надежной защиты от импульсных перенапряжений вызванных разрядами молнии.
На электрифицированных участках напольные устройства (в том числе и линейные сооружения ПСГО) попадают в зону молниезащиты, образованную проводами и металлическими конструкциями контактной сети, которая, фактически является аналогом тросового молниеприемника, и при попадании разряда молнии канализирует ее через искровые промежутки и токоотводы опор контактной сети в рельс и далее в балласт и насыпь железнодорожного полотна. При этом происходит растекание токов молнии вблизи линейных сооружений, а электромагнитное поле тока практически не ослаблено расстоянием и экранированием. На территории РФ, согласно МЭК 61024-1-1, при прямом попадании, разряд молнии в 95% имеет ток менее 100 кА. На кабельные жилы, переговорные устройства и катушки громкоговорители происходит воздействие силовых магнитных линий вызванных протеканием высокочастотных токов молнии на землю, что приводит к появлению в кабельной линии помехи с широким спектром частот и огромной амплитудой - импульса перенапряжения. Импульс перенапряжения по кабельным линиям системы ПСГО попадает в здания дежурных, постов ЭЦ, связевых и как следствие отказу дорогостоящего оборудования ПСГО, перерыву оповещения путевых работников о приближении поездов, возгоранию в аппаратных.
Задачей полезной модели является усовершенствование вводно-защитного устройства парковой системы громкоговорящего оповещения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении надежности устройства и безопасности его эксплуатации, в снижении помех при ведении переговоров, вызванных высоковольтными переключениями, в снижении затрат на ремонт вышедшего из строя оборудования.
Поставленная задача достигается тем, что в вводно-защитном устройстве парковой системы громкоговорящего оповещения, содержащем линии связи, электрическую схему с тремя ступенями защиты, при этом первая ступень защиты содержит неуправляемые трехэлектродные разрядники, параллельно включенные в каждую линию связи и заземляющий контур, вторая ступень защиты содержит варисторы, параллельно включенные в каждую линию связи, дроссели, включенные последовательно в каждую линию связи между первой и второй ступенями защиты, третья ступень содержит двусторонние полупроводниковые ограничители, включенные на выходе между каждым из проводов, линии связи содержат линии громкоговорителей и линии переговорных устройств, первая ступень защиты содержит неуправляемые трехэлектродные разрядники, параллельно включенные в линии громкоговорителей и заземляющий контур, а также неуправляемые трехэлектродные разрядники, параллельно включенные в линии переговорных устройств и заземляющий контур, вторая ступень защиты содержит варисторные сборки, каждая из которых состоит из параллельно соединенных варисторов, параллельно включенные в линии громкоговорителей и варисторные сборки, параллельно включенные в линии переговорных устройств, дроссели выполнены на отдельных магнитопроводах, третья ступень защиты включает варисторно-ограничительные сборки, каждая из которых состоит из параллельно соединенного варистора и полупроводникового ограничителя, параллельно включенные в линии громкоговорителей, и варисторно-ограничительные сборки, параллельно включенные в линии переговорных устройств; дополнительно устройство содержит корпус с прозрачной и непрозрачной крышкой, два линейных и два станционных входа пятипроводных фидеров громкоговорящего оповещения; каждый пятипроводный фидер содержит три жилы линии громкоговорителей и две жилы линии переговорных устройств; неуправляемые трехэлектродные разрядники, параллельно включенные в линии громкоговорителей и заземляющий контур, выполнены с напряжением пробоя 230 В; неуправляемые трехэлектродные разрядники, параллельно включенные в линии переговорных устройств и заземляющий контур, выполнены с напряжением пробоя 90 В; неуправляемые трехэлектродные разрядники, параллельно включенные в линии громкоговорителей, или в линии переговорных устройств и заземляющий контур, соединенные таким образом, что при появлении между любыми двумя линиями, или между любой линией и землей напряжения, превышающего пороговое значение, происходит пробой воздушного промежутка в разряднике; варисторные сборки, параллельно включенные в линии громкоговорителей, выполнены с номинальным напряжением 200 В; варисторные сборки, параллельно включенные в линии переговорных устройств, выполнены с номинальным напряжением 80 В; каждая варисторная сборка выполнена в виде пяти параллельно включенных варисторов с одинаковым номиналом; варисторно-ограничительные сборки, параллельно включенные в линии громкоговорителей выполнены с номинальным напряжением 200 В; варисторно-ограничительные сборки, параллельно включенные в линии переговорных устройств, выполнены с номинальным напряжением 80 В; схема включения варисторно-ограничительных сборок организована таким образом, что при появлении между двумя любыми линиями или между любой линией и землей напряжения, превышающее порог срабатывания, происходит срабатывание ограничителей в варисторно-ограничительной сборке, а при превышении длительности или амплитуды остаточного импульса перенапряжения расчетной, происходит срабатывание варисторов в варисторно-ограничительной сборке; рабочие токи в линиях громкоговорителей могут достигать значения 5 А при номинальном рабочем напряжении 120 В; рабочие токи в линии переговорных устройств могут достигать значения 0,1 А при номинальном рабочем напряжении до 60 В.
На фиг. 1 представлено изображение вводно-защитного устройства парковой системы громкоговорящего оповещения в сборе.
На фиг. 2 представлено изображение элементов вводно-защитного устройства парковой системы громкоговорящего оповещения.
На фиг. 3 приведена электрическая схема вводно-защитного устройства парковой системы громкоговорящего оповещения.
Конструктивно предлагаемое вводно-защитное устройство парковой системы громкоговорящего оповещения (далее ВЗУ-ПСГО) на фиг. 1-2 содержит:
1 - корпус;
2 - прозрачная крышка;
3 - непрозрачная крышка;
4 -  вход первого фидера (линейная сторона);
5 - вход второго фидера (линейная сторона);
6 - вход первого фидера (станционная сторона);
7 - вход второго фидера (станционная сторона);
8, 9, 10, 11, 12, 13, 85, 86, 87, 88, 89, 90 - линии громкоговорителей;
14, 15, 16, 17, 91, 92, 93, 94 - линии переговорных устройств;
18, 19, 20, 21, 22, 23 - предохранители для линий громкоговорителей;
24, 25, 26, 27 - предохранители для линий переговорных устройств;
28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, - неуправляемые трехэлектродные разрядники для линий громкоговорителей;
35, 36 - неуправляемые трехэлектродные разрядники для линий переговорных устройств;
37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 - дроссели для линий громкоговорителей;
49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56 - дроссели для линий переговорных устройств;
57, 58, 59, 60, 61, 62 - варисторные сборки для линий громкоговорителей;
63, 64, 65, 66 - варисторные сборки для линий переговорных устройств;
67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78 - сборки из варистора и полупроводникового ограничителя (стабилитрона) для линий громкоговорителей;
79, 80, 81, 82, 83, 84 - сборки из варистора и полупроводникового ограничителя (стабилитрона) для линий переговорных устройств;
95 - печатная плата;
96 - болт, для подключения к заземляющему устройству;
97 - клеммник на 10 полюсов;
98 - клеммник на 6 полюсов;
99 - клеммник на 4 полюса.
Корпус 1 содержит прозрачную крышку 2, закрывающую все элементы защиты, и непрозрачную крышку 3, закрывающую клеммники 97, 98, 99 для подключения линий и аппаратуры ПСГО. В нижней части корпуса предусмотрены отверстия для ввода кабелей. Сбоку на корпусе установлен болт для подключения заземляющего устройства.
ВЗУ-ПСГО имеет два линейных и два станционных входа для подключения пятипроводных фидеров громкоговорящего оповещения.
ВЗУ-ПСГО содержит линии связи и электрическую схему с тремя ступенями защиты.
Первая ступень защиты содержит неуправляемые трехэлектродные разрядники 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, параллельно включенные в линии связи громкоговорителей (ГР) 6, 7, 8, 9, 10, 11 и заземляющий контур, а также неуправляемые трехэлектродные разрядники 33, 34 с напряжением пробоя 90 В, параллельно включенные в линии переговорных устройств (ПУ) 12, 13 и линии 14, 15 и заземляющий контур.
Неуправляемые трехэлектродные разрядники, параллельно включенные в линии ГР, или в линии ПУ и заземляющий контур, соединенные таким образом, что при появлении между любыми двумя линиями, или между любой линией и землей напряжения, превышающего пороговое значение, происходит пробой воздушного промежутка в разряднике за время, не превышающее 100 не.
Последовательно в каждую из десяти линий 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 включены дроссели 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53 выполняющие задержку по времени импульса тока и разделяющие первую и вторую ступени ВЗУ-ПСГО.
Вторая ступень защиты содержит варисторные сборки 55, 56, 57, 58, 59, 60 с номинальным напряжением 200 В, параллельно включенные в линии ГР, и варисторные сборки 61, 62, 63, 64 с номинальным напряжением 80 В, параллельно включенные в линии ПУ.
Каждая варисторная сборка выполнена в виде пяти параллельно включенных варисторов с одинаковым номиналом.
Далее в каждую из десяти линий 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 последовательно включены дроссели 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54 выполняющие задержку по времени импульса тока и разделяющие вторую и третью ступени ВЗУ-ПСГО.
Третья ступень защиты ВЗУ-ПСГО содержит варисторно-ограничительные сборки 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76 с номинальным напряжением 200 В, параллельно включенные в линии ГР, и варисторно-ограничительные сборки 77, 78, 79, 80, 81, 82 с номинальным напряжением 80 В, параллельно включенные в линии ПУ.
Схема их включения организована таким образом, что при появлении между двумя любыми линиями или между любой линией и землей напряжения, превышающее порог срабатывания, происходит срабатывание ограничителей в варисторно-ограничительной сборке, а при превышении длительности или амплитуды остаточного импульса перенапряжения расчетной, происходит срабатывание варисторов в варисторно-ограничительной сборке.
ВЗУ-ПСГО предназначено для подключения до двух фидеров парковой системы громкоговорящего оповещения одновременно.
Каждый фидер включает в себя трехпроводную линию громкоговорителей (для режимов «громко-тихо» 0/30/120 В), а также двухпроводную линию переговорных устройств.
Рабочие токи в линии громкоговорителей могут достигать значения 5 А при номинальном рабочем напряжении 120 В.
Рабочие токи в линии переговорных устройств могут достигать значения 0,1 А при номинальном рабочем напряжении до 60 В.
Сборку предлагаемой полезной модели осуществляют следующим образом.
На печатной плате 95 размещают и распаивают все элементы навесного монтажа - разрядники, варисторы, ограничители, дроссели, держатели для предохранителей, провод заземления и клеммники. Печатную плату 95 помещают в корпус 1 и закрепляют с помощью комплектных винтов. Провод заземления фиксируют на болт заземления 96 с внутренней стороны корпуса 1. В держатели предохранителей вставляют предохранители в соответствии с номиналом. Производят подключение кабелей станционной и линейной стороны системы ПСГО к клеммникам ВЗУ-ПСГО. Производят подключение провода заземления.
Корпус 1 снабжают прозрачной крышкой 2, закрывающей все элементы защиты, и непрозрачной крышкой 3, закрывающей клеммы для подключения линий и аппаратуры ПСГО.
Прозрачную крышку 2 используют для оперативного визуального контроля исправности предохранителей и варисторов. При повреждениях в линии ПСГО оперативный персонал, осмотрев нити предохранителей через прозрачную крышку, может определить, является ли перегорание предохранителей ВЗУ-ПСГО причиной повреждения. По потемнению корпусов варисторов, можно определить критический перегрев и выход из строя варисторов. Полезная модель готова к работе.
Вследствие разброса параметров промышленно выпускаемых варисторов для формирования варисторной сборки осуществляют их предварительную сортировку для подбора близких, по вольт-амперной характеристике (ВАХ) варисторов. Одинаковая ВАХ необходима для одновременного срабатывания всех варисторов в варисторной сборке при возникновении в линии импульса перенапряжения. Для сортировки варисторов перед пайкой проводят измерение классификационного напряжения с помощью прибора, например, измерителя сопротивления изоляции 1152 MF.
Недостатком варисторной защиты является относительно высокая собственная емкость, которая совместно с индуктивностью линии и примененными в схеме дросселями образуют фильтр низких частот, который приводит к значительному ослаблению полезного сигнала в процессе эксплуатации. Однако на частотах менее 30 кГц такое ослабление пренебрежительно мало. Так как ВЗУ-ПСГО предназначено для работы в сети связи с эффективной полосой 0,3-4 кГц, фильтр низких частот выполняет полезную функцию - отфильтровывает высокочастотные помехи.
Недостатками разрядников является относительно большое время срабатывания (связанное с процессом возникновения дуги) и наличие сопровождающего тока. Сопровождающий ток в цепи связи пренебрежительно мал и не способен поддерживать процесс горения дуги (в отличие от электропитающих цепей).
Для того, чтобы защищаемая аппаратура не подвергалась перенапряжению до срабатывания разрядника в первой ступени, во второй ступени ВЗУ-ПСГО устанавливают варисторную сборку, при этом первая и вторая ступени защиты разделяют дросселем с индуктивностью 15 мкГн, обеспечивающим фазовый сдвиг импульса тока и вызывающий временную задержку импульса перенапряжения между ступенями.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
В момент нарастания переднего фронта импульса перенапряжения, за время менее 25 не от превышения значения классификационного напряжения варисторная сборка снижает свое сопротивление до сотых долей ома, что позволяет пропустить основную энергию импульса перенапряжения на заземляющее устройство до момента срабатывания разрядника. Дроссель между ступенями не позволит варисторной сборке зашунтировать разрядник. После срабатывания варисторной сборки с задержкой, вызванной загоранием дуги (около 100 нс), срабатывает разрядник. Далее, в случае расчетной величины импульса перенапряжения (менее 20 кА) и значении величины напряжении ограничения разрядника меньшем величины классификационного напряжения, варисторная сборка отключается. Это основной режим работы. Он подразумевает работу варисторной сборки только в первоначальный момент прихода импульса перенапряжения, а соответственно отсутствие перегрева варисторов, что предотвращает деградацию и ухудшению их вольт-амперных характеристик (ВАХ) с течением эксплуатационного срока.
В случае превышения импульсом перенапряжения максимальной расчетной величины (более 20 кА) варисторная сборка не отключится и будет параллельно разряднику пропускать ток на заземляющее устройство до момента окончания импульса или до момента срабатывания быстродействующего предохранителя в вводной цепи. Данный (аварийный) режим работы предполагает значительное ухудшение ВАХ варисторов (вплоть до термического разрушения), но позволяет сохранить защищаемую аппаратуру ПСГО.
По многочисленным наблюдениям выявлено, что разряд молнии может образовать в электроцепях несколько импульсов перенапряжения - «пакет», при этом первый импульс характеризуется максимальной амплитудой и длительностью, а последующие импульсы при меньшей амплитуде имеют гораздо большую крутизну переднего фронта.
ВЗУ-ПСГО разработано с учетом данных особенностей поведения разряда молнии. Дроссель между первой и второй ступенью и дроссель между второй и третьей ступенью суммарно образуют линию задержки, предотвращающую быстродействующим элементам третьей ступени зашунтировать элементы первой и второй ступени. При этом время срабатывания ограничительно-варисторной сборки составляет еденицы наноосекунд, что позволяет эффективно защитить нагрузку до срабатывания первой и второй ступени защиты, а после их срабатывания, ограничить до безопасных значений напряжение ограничения.
Так как длина кабельной линии ПСГО может достигать нескольких километров, физические параметры линии (импенданс) не позволяют всей энергии импульса перенапряжения достичь станционных устройств ПСГО, поэтому для расчетов ВЗУ-ПСГО выбрана максимальная рабочая величина наведенного тока - 20 кА (8/20 мкс). При попадании в линию связи импульса указанной величины происходит штатное срабатывание элементов защиты, величины токов проходящих через них не превышают расчетных, перегрев и деградация элементов незначительна. В случае превышения импульсом перенапряжения указанной величины, учитывая вероятность сильных разрядов молнии вблизи здания с аппаратурой, возможно разрушение внутренних элементов (разрядников, варисторов) ВЗУ-ПСГО, при этом сохраняется способность защиты аппаратуры связи.
Схемное решение всех трех ступеней ВЗУ-ПСГО позволяет распараллелить стекацие тока перенапряжения на заземляющее устройство по нескольким ветвям, что снижает нагрузку на элементы схемы и влияние магнитной составляющей на соседние цепи. Импенданс используемых дросселей на рабочих частотах 0,3-3,4 кГц, защищаемой аппаратуры ПСГО пренебрежительно мал, и не оказывает заметного влияния на функционирование системы громкоговорящего оповещения в эксплуатационном режиме.
Применение ВЗУ-ПСГО позволит свести к минимуму последствия попадания импульса перенапряжения в здания постов ЭЦ, дежурных по станции, связевых по линиям ПСГО, предотвратит повреждение станционной аппаратуры, снизит риск поражения персонала электрическим током, предотвратит возгорания в помещениях, снизит затраты на ремонт вышедшего из строя оборудования.
Таким образом предлагаемое устройство способствует повышению надежности устройства и безопасности его эксплуатации, снижению помех при ведении переговоров, вызванных высоковольтными переключениями, снижению затрат на ремонт вышедшего из строя оборудования.