Общие сведения
На начальной стадии развития железнодорожной автоматики, телемеханики и связи важнейшей задачей грозозащиты немалогабаритных приборов (электромеханических реле, трансформаторов и др.) считалось обеспечение путей отвода токов молнии с проводов ЛСС в землю. Для этих целей хорошо подходили разрядники. Было достаточно согласовать их вольт-секундные характеристики (см. п. 6) с импульсной электрической прочностью изоляции указанных устройств. Возникающие в ЛСС от воздействия грозовых разрядов продольные перенапряжения ограничивались до безопасных значений, а поперечные перенапряжения для данных устройств не были опасны.
Иное положение складывается с защитой от атмосферных перенапряжений полупроводниковых приборов. В этом случае необходимо ограничить до безопасных значений не только продольные, но и поперечные перенапряжения, опасные для ПП, а также коммутационные перенапряжения, возникающие при изменении режима работы электрических цепей переменного и постоянного тока с индуктивностями, индуцированные перенапряжения, появляющиеся в питающих цепях постоянного тока вследствие электромагнитного влияния близлежащих монтажных проводов электрических цепей с высокими уровнями напряжения и тока.
Положение осложняется еще и тем, что из-за относительно высокого напряжения пробоя и замедленного действия традиционные защиты (низковольтные вентильные и газонаполненные разрядники) не вполне пригодны для ограничения указанных перенапряжений. Как известно, ПП обладают более высоким быстродействием и нередко имеют низкое входное сопротивление, особенно транзисторное устройство. Введение в его схему дополнительных элементов для увеличения входного сопротивления и, следовательно, ограничения тока, обусловленного импульсами атмосферных или коммутационных перенапряжений, может резко снизить эффект усиления полезного сигнала. В то же время масса р-п перехода транзистора очень мала для рассеивания энергии, связанной с этими импульсными токами.· В этом заключается одна из проблем защиты ПП.
Кроме того, р-п переход ПП чувствителен к действию обратного напряжения. Если приложенное напряжение превышает максимально допустимое, происходит необратимый пробой, характеризуемый тепловым разрушением кристаллов, образующих р-п переход.
Затруднений в защите ПП от продольных перенапряжений (провод-земля) не имеется. В современных условиях можно достигнуть необходимой электрической прочности изоляции любого ПП и таким образом исключить пробой изоляции по отношению к земле. При ограничении поперечных перенапряжений (провод-провод) необходимы новые методы защиты, предусматривающие использование элементов схемы данного ПП и учитывающие его конструктивные особенности. Такие методы защиты разработаны и нашли широкое применение на сети дорог.
Для обеспечения эффективной защиты от перенапряжений разрабатываемых ПП необходимо:
определить пути проникновения атмосферных перенапряжений в ПП, которыми могут быть линейные цепи сигнализации и связи, низковольтные силовые цепи переменного тока, цепи электропитания постоянного тока и рельсовые цепи;
применить для их защиты типовую схему (основной каскад защиты) согласно документу [2] и ГОСТ 5238—81;
определить экспериментально с использованием генератора импульсных напряжений импульсную электрическую прочность и токонесущую способность защищаемых ПП;
согласовать электрические характеристики грозозащитных приборов (основного каскада защиты) с импульсной электрической прочностью и токонесущей
способностью ПП, в необходимых случаях установить дополнительные каскады защиты;
применить дополнительные приборы защиты от коммутационных перенапряжений в низковольтных силовых цепях переменного тока и цепях электропитания постоянного тока, согласовать электрические характеристики этих приборов защиты с импульсной электрической прочностью и токонесущей способностью ПП;.
определить эффективность использованных приборов защиты; применяя генератор импульсных напряжений (см. главу V).
Выполнение вышеперечисленных рекомендаций не вызывает каких-либо затруднений, за исключением согласования электрических характеристик основного каскада защиты с импульсной электрической прочностью' и токонесущей' способностью ПП. Такое согласование осуществляют, как правило, включением одного или нескольких дополнительных каскадов защиты. Выбор приборов защиты и способы их включения зависят от разновидностей электрических цепей, в которые намечается включать ПП. К таким цепям относятся линейные цепи сигнализации и связи, низковольтные цепи переменного тока, питающие цепи постоянного тока и рельсовые цепи. Каждая из вышеперечисленных электрических цепей с точки зрения выполнения защиты от перенапряжений требует индивидуального подхода и поэтому в дальнейшем рассматривается отдельно.
Линейные цепи сигнализации и связи
Линейные цепи связи.
Рассмотрим методы защиты линейных цепей связи с приемно-передающими устройствами, построенными на полупроводниковых приборах и работающими в диапазоне высоких и низких частот, к которым относятся и кодовые цепи частотных систем ДЦ. Эти цепи с малым уровнем передачи могут быть защищены от атмосферных перенапряжений основным (типовым) каскадом защиты, выполненным на трехэлектродных газонаполненных разрядниках Р-35, и дополнительным каскадом защиты, состоящим из двух полупроводниковых диодов Д1 и Д2 (рис. 17,а). В данном случае для целей защиты используется обратная проводимость диодов.
Во избежание повреждения диодов проходящими через них токами (при их открытии) в каждый провод линейной цепи (для. омической симметрии) должен быть включен ограничительный резистор. Его сопротивление выбирается по максимальному допустимому обратному току диода.
Рис. 17. Двухкаскадная схема защиты полупроводникового прибора (а) иэквивалентная схема цепи вторичной обмотки трансформатора (б)
Во вторичной цепи ИТр не будет опасных напряжений. При более высоких продольных перенапряжениях (несколько сотен вольт) сработает один из двух искровых промежутков разрядника Р и, как было показано, во вторичной обмотке ИТр появится опасное напряжение. В зависимости от его полярности откроется тот или другой диод. При этом импульс тока Ι(t), обусловленный указанным напряжением, будет проходить по цепи: ИТр, rогр, Д1, Д2, rогр, ИТр.
Принцип действия двухкаскадной схемы защиты легко понять по ее эквивалентной схеме (рис. 17,б), в которой импульсный трансформатор ИТр заменен источником опасных напряжений u(t) и резистором rв, равным волновому сопротивлению ИТр. Поскольку сопротивления диодов Д1 (r1) и Д2 (r2) (при их срабатывании) относительно малы, то наибольшая часть падения напряжения приходится на внутреннее сопротивление Итр и rотр. В этом случае напряжение на входе защищаемого прибора относительно мало и равно по значению обратному напряжению на диоде, т. е. его остающемуся напряжению (в КС это напряжение равно напряжению стабилизации). Таким образом, указанным' дополнительным каскадом поперечные перенапряжения, измеряемые сотнями вольт, ограничиваются до нескольких вольт. Для эффективной защиты необходимо, чтобы напряжение стабилизации кремниевого стабилитрона было на 25—40% ниже амплитуды импульса перенапряжения, вызывающего пробой р-п перехода (если перенапряжение приложено к р-п переходу в обратном направлении) или тепловое его разрушение (если перенапряжение приложено к р-п переходу в прямом направлении).
Если линейные элементы, в том числе первичная обмотка ИТр, не рассчитаны на воздействие перенапряжений, возникающих при срабатывании разрядников, то дополнительный каскад целесообразно включать па входе ИТр, т. е. в его первичной цепи.
При пересечении ЛСС с проводами электрических цепей напряжением 380/220 В для защиты ПП от воздействия токов промышленной частоты в схеме защиты следует предусматривать разделительные конденсаторы С1 и С2 (рис. 18). Если указанные условия согласования не выполняются, то включают два и более дополнительных каскадов защиты (рис. 19).
В качестве защитных диодов могут быть использованы кремниевые стабилитроны, высокочастотные и лавинные диоды. В некоторых случаях необходимо обеспечить достаточно большое входное сопротивление линии для ограничения создаваемых перенапряжениями токов до допустимых для диодов значений. Такое ограничение может быть выполнено резисторами, реакторами и др. В то же время включение этих элементов может привести к увеличению затухания в тракте приема и передачи информационных сигналов, что следует учитывать при разработках ПП.
Рис. 18. Двухкаскадная схема защиты полупроводниковых приборов при пересечении ЛCС с проводами электрических цепей напряжением 380/220 В
Рис. 19. Схема включения двух дополнительных каскадов защиты
Полупроводниковые приборы могут быть защищены от перенапряжений малогабаритными двухэлектродными газонаполненными разрядниками Р-4 (рис. 20, а) или варисторами СН2 (рис. 2,0; б). В этих случаях также необходимо согласовать импульсное напряжение пробоя разрядника или максимальное остающееся напряжение варистора с импульсной электрической прочностью и токонесущей способностью ПП.
В некоторых схемах защиты могут быть использованы различные приборы защиты. Так, например, в схеме, приведенной на рис. 21, в первом каскаде защиты использован разрядник Р-4. В этом каскаде токоограничительным сопротивлением служит волновое сопротивление ЛТр. Во втором каскаде защиты применены КС Д808 (двухполярный блок). Ограничительным сопротивлением в цепи КС являются элементы входного фильтра Ф. Первый каскад защиты ограничивает опасное напряжение до значения, равного его импульсному пробивному напряжению (120 В), а второй—до напряжения срабатывания КС в прямом направлении (0,8 В). Если принять, что основной каскад защиты (на рис. 21 не показан) ограничивает поперечные перенапряжения до значения, равного импульсному напряжению пробоя разрядников (700—2000 В), то двумя дополнительными каскадами защиты эти перенапряжения снижаются до 0,8 В. При этой отношение напряжения на входе основного и выходе дополнительных каскадов (коэффициент ограничения) достигает 850—2500. Многолетний опыт эксплуатации на Северо-Кавказской и Приволжской дорогах показал достаточную эффективность этой схемы защиты. ·
Для защиты транзисторных усилителей ВЧ систем передачи следует применять, как правило, многокаскадную схему защиты с несколькими ступенями ограничения. Число каскадов зависит от различных факторов, таких как коэффициент трансформации входных и выходных трансформаторов, вид связи между каскадами, схем местной и общей обратной связи. Так, например, опасное напряжение, ограниченное на входе усилителя, может быть вновь повышено входным трансформатором (в п раз). В каждом конкретном случае необходимо определять возможные перегрузки отдельных транзисторов усилителя и обеспечивать их защиту.
Рис. 20. Схемы включения приборов защиты
Рис. 21. Схема защиты линейного усилителя частотной диспетчерской централизации
Опасное напряжение может быть приложено на входе (выходе) транзистора в обратном и прямом направлениях. В работе [11] указано, что если в линейных усилителях, транзисторные каскады которых работают в режиме класса А, нарастание опасного напряжения сопровождается смещением входных вольт:амперных характеристик транзисторов влево, то следует считать, что опасное напряжение приложено в обратном направлении транзистора. Смещение указанных характеристик вправо свидетельствует о том, что опасное напряжение приложено в прямом направлении транзистора. В первом случае с ростом опасного напряжения возрастают также обратные напряжения эмиттер-база и коллектор-база, а во втором случае — токи в цепи коллектора, базы и эмиттера транзистора. В обоих случаях опасные напряжения и токи следует ограничить до допустимых значений. Для этих целей на входе и выходе усилителя включают разрядники Р-4, кремниевые стабилитроны, защитные диоды и др.
При включении защитных диодов, следует учитывать их емкость, которая у маломощных КС (при нулевом смещении) составляет 350—450 пФ, а в мощных КС достигает 1000 пФ. Эта емкость может шунтировать входное и выходное сопротивления усилителя, увеличивать коэффициент отражения и искажать амплитудно-частотную характеристику усилителя. Во избежание этого следует стремиться уменьшить емкость КС комбинированным их включением с высокочастотными диодами, работающими в более широком диапазоне частот и имеющими в десятки раз меньшую межэлектродную емкость, чем КС (рис. 22).
Способы защиты многоканального транзисторного усилителя зависят от его эксплуатационных данных, диапазона частот усиливаемых сигналов и схемы усилительных каскадов. Кроме того, в каждом усилительном каскаде должна быть предусмотрена непосредственная защита транзисторов [12, 13]. При осуществлении грозозащиты особое внимание следует обращать на точность и постоянство напряжений срабатывания и ограничения приборов защиты и обеспечения надежности их работы. Эти приборы защиты должны выдерживать без повреждений и изменений электрических характеристик волну напряжения (10/500 мкс) амплитудой, равной по значению импульсному напряжению пробоя разрядников, установленных в основном каскаде защиты на входе (выходе) усилителя (на рис. 21 не показан) согласно документу [2] или ГОСТ 5238—81.
Рис. 22. Схема включения дополнительных приборов защиты линейного усилителя систем ВЧ передачи
Рис. 23. Схемы защиты полупроводниковых приборов, включенных в линейные цепи постоянного тока
Линейные сигнальные цепи.
ПП в линейных сигнальных цепях постоянного тока с рабочим напряжением от 12 до 70 В и выше могут быть защищены от перенапряжений низковольтными вентильными разрядниками РВНШ-250 и оксидно-цинковыми выравнивателями ВОЦШ-110 и ВОЦШ-220. В качестве примера на рис. 23,а приведена типовая схема защиты от волн атмосферных перенапряжений полупроводникового преобразователя ППШ-3, имеющего низкое входное сопротивление (см. главу I). Для его увеличения включают дроссель индуктивностью 80—100 мГн, который также способствует эффективному срабатыванию разрядников; и выравнивателей. Обмотка дросселя должна выдерживать напряжение, равное максимальному остающемуся напряжению выравнивателя.
В некоторых случаях для защиты ПП (например, с тиристорами) могут быть применены схемы защиты с двумя или тремя дополнительными каскадами. В качестве третьего дополнительного каскада используют кремниевые стабилитроны, шунтированные- конденсаторами малой емкости (рис. 23,б). Индуктивность дросселей Др1—Др3 зависит от крутизны волны АП и вольт-амперных характеристик выравнивателей и кремниевых стабилитронов и определяется экспериментально с использованием генератора импульсных напряжений (см. главу V).