УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к схемам защиты телекоммуникационного оборудования от избыточного напряжения, реагирующим на напряжение выше нормального, без отключения защищаемого оборудования от линий связи.
Известны устройства защиты оборудования связи от избыточного напряжения, описанные в книге: Ю. И. Корнышев, А. Я. Маркович, М. И. Пискер, В. М. Романцов Стационарное оборудование сельской телефонной связи, Москва, Радио и связь, 1990 г., стр.280, рис.15.1 в) - схема защиты соединительных кабельных линий. Для защиты оборудования от токов высокого напряжения устройство содержит трехэлектродный газонаполненный разрядник, два вывода которого соединены с входными выводами устройства, предназначенными для подключения к линии связи, а третий вывод соединен с заземлением. Его недостатком является недостаточно высокое быстродействие.
Известно также устройство защиты оборудования связи от избыточного напряжения, заявка №94000893 - Устройство для защиты двухпроводных линий от перенапряжений. Это устройство содержит разрядник и полупроводниковые приборы варисторы, терморезисторы. Его недостатком является недостаточно высокое быстродействие.
Известно также устройство для защиты от перенапряжений - изобретение по патенту РФ №2050663 - Устройство защиты от грозовых импульсов перенапряжений двухпроводной линии связи. Это устройство содержит включенные в каждый из проводов разрядник, который соединен с каждым из входных выводов и контуром заземления, электрические сопротивления, выполненные в виде дросселей, включенных
последовательно в каждый из проводов, двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения, подсоединенные между выходными клеммами и заземляющим контуром.
Данное устройство защиты от перенапряжений является наиболее близким к заявляемой полезной модели по своей сущности и техническому результату.
Однако такое техническое решение имеет следующие недостатки.
При таком техническом решении пороговое напряжение срабатывания защиты оборудования от импульсных дифферециальных перенапряжений, т.е. от перенапряжений, непосредственно между двумя проводами линии связи, при котором срабатывают два последовательно соединенных ограничителя напряжения, больше, чем пороговое напряжение, при котором срабатывает защита от синфазных перенапряжений, т. е. перенапряжений между заземлением и одним или обоими проводами линии связи, при которых может срабатывать один из ограничителей или оба. Это обусловлено использованием одних и тех же двух ограничителей для выполнения защиты как от дифферециальных, так и от синфазных перенапряжений, хотя пороговые напряжения для этих перенапряжений в общем случае могут быть независимыми, и могут значительно различаться по величине.
Во многих случаях величина допустимых для оборудования синфазных напряжений больше, чем для дифферециальных. Однако в данном техническом решение при выбранном оптимальном пороге срабатывания защиты от дифферециальных перенапряжений, определяемого параметрами двух последовательно соединенных ограничителей напряжения, порог срабатывания от синфазных перенапряжений автоматически оказывается меньшим, чем от дифферециальных, поскольку в последнем случае при перенапряжениях включаются не два последовательно соединенных ограничителя, а лишь по одному из них, и порог срабатывания устройства определяется параметрами лишь одного из ограничителей, а не двух. Это приводит к ухудшению качества связи вследствие вносимых устройством дополнительных помех при ложных срабатываниях защиты, когда эта защита могла бы и не включаться без опасности для оборудования, и, кроме того, приводит к перегреву элементов устройства.
Поэтому, при заданном оптимальном пороговом напряжении срабатывания защиты от дифференциальных перенапряжений, пороговое напряжение срабатывания защиты оборудования от импульсных синфазных перенапряжений для такой схемы не является оптимальным. Защита может срабатывать при синфазных напряжениях, амплитуда которых допустима и безопасна для оборудования, т. е. фактически такие напряжения не являются перенапряжениями, что увеличивает общее время протекания токов через ограничители и их нагрев, и создает дополнительные помехи связи. Если допустимая амплитуда синфазных напряжений для оборудования выше, чем дифференциальных, то данное решение не позволяет реализовать устройство с соответствующими порогами срабатывания защиты, которое могло бы удовлетворять таким требованиям. При такой схеме оптимальные пороговые напряжения срабатывания защиты задать невозможно.
В качестве ограничителей напряжения в таких устройствах преимущественно используют стабилитроны, которые имеют значительную паразитную емкость, что увеличивает затухание полезного сигнала на линии связи; это также является недостатком. Кроме того, при длительных воздействиях перенапряжений, например, при серии импульсов большой длительности и больших перенапряжениях, например, вследствие воздействия грозовых импульсов перенапряжения, ограничители напряжения из-за их высокого напряжения стабилизации могут выйти из строя вследствие перегрева.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в устранении указанных недостатков, в улучшении качества связи за счет исключения ложных срабатываний защиты и уменьшения вносимых устройством дополнительных помех, в повышении надежности устройства защиты за счет снижения перегрева деталей устройства протекающим при перенапряжениях током.
Технический результат, достигаемый при этом, заключается в следующем: в повышении надежности устройства защиты за счет оптимизации его пороговых напряжений срабатывания защиты от перенапряжений на линии связи, в зависимости от допустимых величин синфазных и дифференциальных напряжений на подключаемых к
линии связи выводах оборудования, благодаря этому исключаются ложные срабатывания
защиты;
в повышении надежности устройства защиты за счет уменьшения вероятности перегрева
и выхода из строя полупроводниковых ограничителей напряжения при импульсных
перегрузках;
и, кроме того, в уменьшении вносимого устройством затухания сигнала в линии связи за
счет уменьшения паразитной емкости деталей устройства.
Для достижения указанного технического результата при данной решаемой задаче устройство для защиты от перенапряжений телекоммуникационного оборудования, содержащее:
трехэлектродный газонаполненный разрядник, два вывода которого соединены с входными выводами устройства, предназначенными для подключения к линии связи, а третий вывод соединен с выводом заземления;
двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения, соединенные с выходными выводами устройства, предназначенными для подключения защищаемого оборудования; два электрических сопротивления, у каждого из которых один вывод соединен с входным выводом, а второй вывод соединен с соответствующим выходным выводом устройства; выполнено следующим образом:
количество упомянутых двусторонних полупроводниковых ограничителей напряжения по меньшей мере равно трем, они соединены между собой в виде треугольника, две вершины которого подключены к двум выходным выводам устройства, а третья - к выводу заземления;
ограничители напряжения выполнены на полупроводниковых приборах с характеристиками симметричных динисторов, и с временем задержки их включения меньшим, чем время задержки срабатывания упомянутого трехэлектродного газонаполненного разрядника;
имеют одинаковые параметры;
а каждое из двух электрических сопротивлений выполнено в виде проволочного резистора из провода с высоким электрическим сопротивлением, размещенного на теплопроводном основании.
На чертеже изображена схема электрическая устройства, где обозначены: 1,2- входные выводы, предназначенные для подключения к линии связи;
3- трехэлектродный газонаполненный разрядник;
4- вывод заземления;
5, 6 - проволочные резисторы;
7,8- выходные выводы устройства, предназначенные для подключения защищаемого
оборудования;
9, 10, 11 - симметричные динисторы или аналогичные полупроводниковые приборы с
характеристиками симметричных динисторов.
Выводы 1, 2, предназначенные для подключения к линии связи, являются входными для перенапряжений, поступающих из линии связи на устройство защиты. Выводы 7,8- выходные выводы устройства защиты, однако они могут быть подкпючены как на вход защищаемого оборудования, так и на его выход.
Входные выводы 1, 2 устройства защиты соединены с двумя выводами трехэлектродного газонаполненного разрядника 3, третий вывод которого соединен с выводом заземления 4. Выводы 1, 2 также соединены с первыми выводами двух электрических сопротивлений 5, 6, вторые выводы которых соединены с соответствующими выходными выводами 7, 8 устройства, предназначенными для подключения защищаемого оборудования. Каждое из двух электрических сопротивлений 5, 6 выполнено в виде проволочного резистора, из провода с высоким электрическим сопротивлением, размещенного на теплопроводном основании с целью повышения перегрузочной способности при импульсных перегрузках токами перенапряжений.
Симметричные динисторы 9, 10, 11 или аналогичные полупроводниковые приборы с характеристиками симметричных динисторов, соединены между собой в виде треугольника, две вершины которого подключены к двум выходным выводам 7, 8 устройства, а третья - к выводу заземления 4.
Напряжение включения динистора 9 выбирается с учетом допустимых для оборудования дифференциальных напряжений, а динисторов 10, 11 - с учетом допустимых для оборудования синфазных напряжений.
Симметричные динисторы 10 и 11 имеют одинаковые параметры, вследствие чего обеспечиваются равные условия защиты для перенапряжений, возникающих либо между выводами 1 и 4, либо между выводами 2 и 4, либо одновременно между выводом 4 и выводами 1, 2.
Проволочные резисторы 5, 6 выполнены с малым тепловым сопротивлением между проводом, из которого они выполнены, и теплопроводной основой, на которой расположен или намотан этот провод, вследствие чего они более устойчивы к кратковременным перегрузкам по мощности, так как тепло от провода отводится на теплопроводную основу, предохраняя провод от перегорания.
Падение напряжения на симметричных динисторах 9, 10, 11 во включенном состоянии значительно меньше, чем у стабилитронов, обычно используемых в качестве ограничителей напряжения; соответственно меньше разогрев динисторов протекающим током.
Кроме того, электрическая емкость симметричных динисторов 9, 10, 11 значительно ниже емкости обычных двусторонних полупроводниковых ограничителей, выполненных на стабилитронах. Поэтому меньше вносимое ими затухание на верхних частотах полезного сигнала.
Устройство работает следующим образом.
6 на выход 7, 8. Газонаполненный разрядник 3 и симметричные динисторы 9, 10, 11 не срабатывают, так как амплитуда напряжения полезного сигнала недостаточна для их срабатывания.
При появлении на входе 1, 2, подключенном к линии связи, импульса дифференциального перенапряжения, величина которого превышает пороговое напряжение включения симметричного динистора 9 и разрядника 3, сначала включается имеющий малое время задержки включения динистор 9. Затем суммарное падение напряжения на резисторах 5, 6 и на динисторе 9 постепенно превышает напряжение срабатывания разрядника 3, и разрядник срабатывает. Время задержки срабатывания разрядника 3 больше, чем у симметричного динистора 9. В этот период, до срабатывания разрядника 3, ток импульса перенапряжения, протекает через резисторы 5, 6 и динистор 9. Благодаря отводу тепла от провода, из которого изготовлены резисторы 5, 6, на теплопроводную основу, на которой расположен этот провод, не происходит значительного нагрева резисторов 5, 6, что защищает их от выхода из строя. Импульсы перенапряжения не проходят на выходные выводы 7, 8 устройства и защищаемое оборудование. Если бы резисторы 5, 6 отсутствовали, разрядник 3 мог бы сработать только после сгорания шунтирующих его динисторов. Допустимый ток через разрядник 3 значительно превышает допустимый ток через динисторы, и срабатывание разрядника защищает динисторы от перегрузок по току.
Напряжение на выходе устройства при этом имеет следующий вид. Сначала появляется кратковременный импульс, длительность которого определяется суммой времени нарастания входного напряжения до величины порогового напряжения динистора и времени задержки включения симметричного динистора 9; амплитуда импульса равна динамическому пороговому напряжению включения динистора. После включения динистора 9 напряжение на выходе спадает до величины падения напряжения на этом динисторе.
разрядник 3 переходит в проводящее состояние, при котором падение напряжения на нем мало; при этом ток импульса перенапряжения протекает по двум параллельным цепям - через разрядник 3 и через динистор 9 с проволочными резисторами 5, 6, а напряжение на выводах 7, 8 определяется падением напряжения на динисторе 9.
При снижении входного напряжения снижается ток через разрядник 3 и динисторы 9. Далее ток уменьшается до уровня, при котором разрядник отключается, а ток продолжает протекать через динистор 9. Дальнейшее уменьшение тока через динистор9 приводит к его отключению.
При появлении на входе между выводом 1, подключенном к линии связи, и выводом заземления 4 импульса перенапряжения, амплитуда которого превышает пороговое напряжение включения динистора 10, и разрядника 3, сначала включается динистор 10, затем срабатывает разрядник 3, защищая от перенапряжения участок электрической цепи межу выводом 4 и выходным выводом 7 устройства, и подключенное к устройству защищаемое оборудование. В остальном работа устройства сходна с описанной выше работой при дифференциальных перенапряжениях.
При появлении импульса перенапряжения на входе между выводом 2, подключенном к линии связи, и выводом заземления 4, сначала включается имеющий вьюокое бьютродействие динистор 11, а затем, вследствие падения напряжения на проволочном резисторе 6 и на динисторе 11, срабатывает разрядник 3, защищая от перенапряжения участок электрической цепи межу выводом 4 и выходным выводом 8 устройства, и подключенное к устройству защищаемое оборудование. В остальном работа устройства сходна с описанной выше работой при дифференциальных перенапряжениях.
При появлении импульса синфазного перенапряжения между выводом 2, подключенном к линии связи, и выводом заземления 4, и одновременно между выводом 1, подключенном к линии связи, и выводом заземления 4, сначала, из-за разброса параметров динисторов 10, 11, включается имеющий более высокое быстродействие динисторЮ или 11, а затем включается второй динистор и оба динистора 10 и 11
оказываются во включенном состоянии. Вследствие падения напряжения на резисторах 5, 6 и на динисторах 10, 11, срабатывает разрядник 3, защищая от перенапряжения участок электрической цепи межу выводом 4 и выходными выводами 7, 8 устройства, и подключенное к устройству защищаемое оборудование. В остальном работа устройства сходна с описанной выше работой при дифференциальных перенапряжениях.
Близкое к оптимальному соотношение между порогами срабатывания защиты при различных синфазных и дифференциальных перенапряжениях задается соответствующим выбором напряжений срабатывания симметричного динистора 9 - для дифференциальных напряжений, а также 10 и11 - для синфазных.
Вместо одного симметричного динистора 9, а также и вместо 10, 11 могут быть применены несколько соединенных последовательно динисторов.
Вместо симметричных динисторов могут быть применены модули или микросхемы с такими же характеристиками и сложными электрическими схемами, например, на тиристорах с цепями управления их работой.
Вместо всех или части соединенных треугольником полупроводниковых приборов могут быть применены содержащие их модули или микросхемы, в том числе и такие, в которых выполнены соответствующие соединения этих полупроводниковых приборов.
Вместо двух отдельных проволочных резисторов 5, 6 может быть применен модуль, содержащий эти резисторы.
Устройство повышает надежность защиты от перенапряжений и может применяться для грозозащиты и иных перенапряжениях на линии связи, в том числе на необслуживаемых регенераторных пунктах с питанием по фантомным цепям. Устройство позволяет выполнять защиту оборудования от перенапряжений без ложных срабатываниях защиты при отсутствии на линии связи опасных для оборудования перенапряжений, с оптимальными порогами срабатывания защиты как для синфазных, так и для дифференциальных перенапряжений на линии связи.
Источники информации
1.Ю. Н. Корнышев, А. Я. Маркович, М. Н. Пискер, В. М. Романцов Стационарное оборудование сельской телефонной связи, Москва, Радио и связь, 1990 г., стр.280, рис. 15.1 Q).
2.Заявка РФ №94000893 - Устройство для защиты двухпроводных линий от перенапряжений.
3.Патент РФ №2050663 - Устройство защиты от грозовых импульсов перенапряжений двухпроводной линии связи Автор полезной модели // /7-  - Иванов