Для обеспечения эффективной грозозащиты ПП прежде всего следует определить пути проникновения в них атмосферных перенапряжений. Одним из таких путей являются линейные цепи сигнализации и связи воздушных ЛСС. Обычно линейные цепи связи включают через изолирующие трансформаторы ИТр (рис. 4) и защищают от грозовых разрядов разрядниками. В случае воздействий атмосферных перенапряжений с амплитудами U1 и U2, превышающими напряжение пробоя разрядников Р1 и Р2, последние срабатывают. Импульс тока молнии с проводов 1 и 2 будет уходить в землю, что сопровождается кратковременным (микросекунды) повышением потенциала проводов до значения, равного сумме остающегося напряжения разрядника и падения напряжения на сопротивлении заземлителя. У низковольтных разрядников остающееся напряжение относительно мало, и им пренебрегают. Так, при токе молнии 1 кА и сопротивлении заземления 10 Ом потенциал проводов будет равен 10 кВ, в то время как продольные перенапряжения в проводах ЛСС, равные произведению тока молнии (1 кА) на волновое сопротивление провода (400 Ом), достигают 400 кВ.
Таким образом, срабатывание разрядников ограничивает продольные перенапряжения с 400 до 10 кВ. Однако и это напряжение опасно для приборов СЦБ и связи и изолирующего трансформатора. Дальнейшее ограничение продольных перенапряжений выполняют различными методами: устанавливают на линейных вводах каскадную защиту, снижают сопротивление заземлителя, используют защитное действие металлической оболочки кабеля, а также метод выравнивания потенциалов, предусматривающий электрическое соединение заземлителя разрядников с металлическими корпусами аппаратов, стативов, оборудования и др. Эти методы нашли широкое применение на сети железных дорог. Многолетний опыт эксплуатации показывает, что они достаточно эффективны, но не для полупроводниковых приборов, так как эти приборы выходят из строя не только от продольных, но и от поперечных перенапряжений, которые возникают из-за неодновременного срабатывания разрядников пли асимметрии изоляции электрической цепи.
Рис. 4. Схема грозозащиты приборов СЦБ и связи, включенных через изолирующий трансформатор
Так, например, в случае работы разрядника Р1 (см. рис. 4) волна атмосферного перенапряжения будет проходить с провода 1 (по цепи: провод 1, разрядник Р1, земля) и провода 2 (по цепи: провод 2, первичная обмотка трансформатора ИТр, разрядник Р1, земля). Разрядник Р2 сработает лишь после того, как падение напряжения на первичной обмотке ИТр достигнет значения импульсного напряжения пробоя разрядника. Уравнительный ток Iу, проходящий по первичной обмотке ИТр вследствие электромагнитной индукции, вызовет кратковременные перенапряжения в цепи его вторичной обмотки. Амплитуда этих перенапряжений зависит от амплитуды тока и электрических параметров трансформатора, в том числе коэффициента трансформации и емкостной связи между его обмотками и корпусом.
В зависимости от того, какой разрядник сработал (Р1 или Р2), уравнительный ток по первичной обмотке Итр будет проходить в разных направлениях. Следовательно, перенапряжения, наведенные им во вторичной обмотке ИТр, могут быть любой полярности и приложены к р-п переходом диодов и транзисторов в прямом и обратном направлениях. В первом случае из-за низкого входного сопротивления ПΠ образуются импульсы тока с относительно большой амплитудой. В транзисторных устройствах энергия этих импульсов может быть еще более усилена. В то же время масса р-п перехода слишком мала для ее рассеивания. В результате происходят изменения электрических параметров диодов и транзисторов, сопровождаемые нарушением работы ПП, которые нередко выходят из строя. Во втором случае возникают пробои р-п переходов или поверхностные перекрытия кристаллов, образующих эти переходы. Несмотря на то что разрушению подвергается небольшая часть перехода (1—2), способность его рассеивать тепло резко снижается, что приводит к выходу из строя перехода. Опасным воздействиям атмосферных перенапряжений подвергаются не только полупроводниковые диоды и транзисторы, но и другие элементы (резисторы, конденсаторы, дроссели и т. п.) с относительно низкой электрической прочностью и токонесущей способностью. Так, например, в результате воздействий грозовых разрядов в конденсаторном дешифраторе автоблокировки сопротивление одного из резисторов (типа МЛТ) возрастает с 39 Ом до нескольких килоомов, что сопровождается нарушениями работы устройств автоблокировки.
При отсутствии изолирующего трансформатора на ПП воздействуют продольные и поперечные перенапряжения одновременно. Если на входе ПП включен разделительный конденсатор, то вследствие электростатического влияния грозового облака он будет заряжаться до напряжения, равного напряжению пробоя разрядников, а затем, после их срабатывания, — разряжаться через ПП, вызывая его повреждение. Полупроводниковые приборы нередко выходят из строя и до срабатывания разрядников из-за асимметрии электрической цепи, замедленного действия разрядников (2— 3 мкс) по сравнению с действием ПП (миллимикросекунды) [5]. По указанным причинам на сети дорог зафиксированы многочисленные отказы работы ПП, в том числе транзисторных усилителей, генераторов, полупроводниковых преобразователей, селеновых выпрямителей, реле с полупроводниковыми вентилями и др., включенных в ЛСС и имеющих традиционную защиту.
Типичным объектом таких воздействий является полупроводниковый преобразователь напряжения ППШ-3 (рис. 5, а). При возникновении в обоих проводах волн атмосферных перенапряжений положительной полярности и срабатывании разрядника Р1 импульс тока молнии проходит с провода 2 в провод 1 по цепи: провод 2, точка 7, диоды Д1, Д2 и Д4, Д3 в прямом направлении, точка 5, провод 1, разрядник Р1, земля. В этом случае входное сопротивление преобразователя обусловливается лишь малым, сопротивлением диодов в прямом направлении. Поэтому под действием приложенных перенапряжений через диоды выпрямителя проходят импульсы тока молнии с высокой амплитудой, которые частично или полностью разрушают р-п переход одного из указанных диодов.
Как показали испытания ПП в импульсном режиме, проведенные ВНИИЖТом с применением генератора импульсных напряжений, частично р-п переход разрушается волной 10/500 мкс с амплитудой всего лишь 5 А.
Рис. 5. Схема грозозащиты приборов СЦБ, включенных в линейные сигнальные (а, б) и рельсовые (в) цепи
При этом другой разрядник (Р2) не срабатывает. ПП разрушаются и при возникновении волн АП отрицательной полярности и срабатывании разрядника Р2.
Если при атмосферном перенапряжении положительной полярности вначале сработает разрядник Р2, а отрицательной полярности — разрядник Р1, то к р-п переходам диодов выпрямителя будет приложено импульсное напряжение в обратном направлении, вызывая их пробой и выход ППШ-3 из строя.
При асимметрии линейной сигнальной цепи аналогичное повреждение преобразователя ППШ-3 происходит до срабатывания разрядников. Если на входе преобразователя включить шунтирующий конденсатор С, то по мере приближения грозового облака вследствие электростатической индукции он будет заряжаться до опасного для, полупроводниковых диодов выпрямителя напряжения. По этой причине на сети дорог зарегистрированы отказы блоков питания БПШ.
Другим путем проникновения атмосферных перенапряжений в полупроводниковые приборы являются низковольтные силовые цепи переменного тока.
Из схемы защиты реле АСШ2 (рис. 5,б) видно, что до срабатывания разрядников волны атмосферных перенапряжений положительной полярности проходят с провода nх на провод ох по цепи: провод ох, точки 1, 5, диод Д2, точка 4, обмотка реле, точка 6, диод Д4, точка 7, провод ох. На диодах Д1, Д3 возникает разность потенциалов, равная падению напряжения на волновом сопротивлении обмотки реле («80 кОм) и приложенная к ним в обратном направлении. По мере возрастания разности потенциалов увеличиваются обратные токи диодов до пробоя р-п перехода у одного из них и выхода его из строя. Аналогично в силовых целях переменного тока повреждаются выпрямительные вентили кодовых ячеек, малогабаритных огневых реле и др.
В путевых полупроводниковых приборах ПП, включаемых в РЦ, одним из источников перенапряжений является рельсовая колея, которая подвергается действию прямых ударов молнии и косвенных ее разрядов.
Согласно документу [2] на участках дорог с автономной тягой грозозащита путевых приборов осуществляется керамическими выравнивателями ВК-10, присоединяемыми к рельсовым нитям.
Основное назначение выравнивателей шунтировать защищаемые путевые приборы от воздействий грозовых разрядов. Практически из-за относительно высокого остающегося напряжения указанных выравнивателей необходимого шунтирования ПП не достигается. Поскольку на приемных концах РЦ на участках с автономной тягой путевые реле с выпрямительными элементами ИМВШ-110, ИРВ-110 включают, как правило, через повышающий изолирующий трансформатор ИТр (рис. 5, в), то возникающие на его первичной обмотке импульсы перенапряжения, равные по значению остающемуся напряжению выравнивателя ВК-10 [2], вследствие электромагнитной индукции переходя во вторичную обмотку ИТр с более высокой амплитудой, которая может превышать наибольшие значения обратных напряжений выпрямительных вентилей в путевых реле. Так, например, при остающемся напряжении выравнивателя 480 В на зажимах импульсного путевого реле ИМВШ-110 или ИРВ-110 возникает опасное напряжение, достигающее 2780 В, что значительно превышает электрическую прочность применяемых в них германиевых диодов Д7Г. В результате происходит их пробой и выход из строя реле. По этим же причинам повреждаются реле с выпрямителями АНВШ2-2400 в рельсовых цепях переменного тока с непрерывным питанием и др.
При разработке грозозащиты следует учитывать, что ПП могут находиться на значительном расстоянии от электропитающих установок (аккумуляторные батареи, выпрямители), и электропитание к ним подается по проводам большой длины, имеющим заметную индуктивность и активное сопротивление. Нередко монтажные провода этих цепей прокладывают в одном желобе с проводами или кабелями, по которым могут проходить токи молнии с высокой амплитудой. В результате электромагнитной связи в указанных цепях появляются опасные импульсы перенапряжений [7].
Подобные опасные перенапряжения могут возникать в ПП также в результате гальванической связи электропитающих установок с линейными цепями сигнализации и связи, например при применении аккумуляторной батареи для электропитания устройств диспетчерской централизации (ДЦ) и линейных сигнальных цепей автоблокировки (АБ). В этих случаях атмосферные перенапряжения переходят с линейных цепей в полупроводниковые приборы ДЦ, вызывая их повреждения.