Патент на изобретение №2208888

(54) УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике – к схемам защиты оборудования связи от напряжения на линии выше нормального. Обеспечивает оптимальную защиту между любыми проводами N-проводной линии. Первая ступень защиты – на разрядниках, соединенных с входными выводами. Вторая ступень – с элементами защиты, подсоединенными к выходным сигнальным выводам и имеющими характеристики симметричных диодных тиристоров со временем задержки срабатывания, меньшим, чем у разрядников первой ступени защиты. Электрическая схема соединений элементов защиты образует N-угольную пирамиду, вершина которой соединена с выводом заземления. При перенапряжениях сначала включаются быстродействующие элементы защиты второй ступени, затем – первой. При перенапряжениях между землей и какими-либо проводами линии срабатывают элементы защиты на боковых ребрах пирамиды. При перенапряжениях между проводами линии срабатывают только элементы защиты на основании пирамиды. Количество элементов защиты на боковых ребрах пирамиды равно N, а на ее основании по меньшей мере равно N/2, но не более N(N-1)/2. Обеспечивается полная защита для всех проводов линии в любых сочетаниях. 6 з.п. ф-лы, 35 ил.

Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к схемам защиты телекоммуникационного оборудования от избыточного напряжения на линиях связи, реагирующим на напряжение выше нормального, без отключения защищаемого оборудования от линий связи.

Известны устройства защиты оборудования связи от избыточного напряжения [1] , [2] . Для защиты оборудования от токов высокого напряжения такое устройство содержит трехэлектродный газонаполненный разрядник, два вывода которого соединены с входными выводами устройства, предназначенными для подключения к линии связи, а третий соединен с заземлением. Его недостатком является низкое лишь для двухпроводных линий. При кратковременных импульсах перенапряжений на линии электронное оборудование может выйти из строя до срабатывания защиты.

Известно также устройство защиты оборудования связи от избыточного напряжения [3]. Это устройство содержит разрядник и полупроводниковые приборы – варисторы, терморезисторы. Его недостаток – ограниченные функциональные возможности, так как он предназначен только для двухпроводных линий.

Известно также устройство защиты от грозовых импульсов перенапряжений двухпроводной линии связи [4]. Оно содержит включенные в каждый из проводов разрядник, соединенный с каждым из входных выводов и контуром заземления, разделительные электрические сопротивления, выполненные в виде дросселей, включенных последовательно в каждый из проводов, двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения, подсоединенные между выходными клеммами и заземляющим контуром. Его недостатком является также ограниченные функциональные возможности, так как он предназначен только для двухпроводных линии связи.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для защиты от перенапряжений по патенту США [5]. Согласно патенту [5] для защиты системы, показанной на фиг.1, связь между объектами 1, 2, 3 выполнена посредством четырехпроводных линий. Для связи между объектами 1 и 2 использована четырехпроводная линия из двух двухпроводных кабелей 4, 5 и 6, 7. Для связи между объектами 2 и 3 использовано четырехпроводная линия из двух двухпроводных кабелей 8, 9 и 10, 11. Один из двухпроводных кабелей предназначен для передачи, а второй для приема. Для каждого двухпроводного кабеля используется по отдельному устройству защиты – 12, 13 и 14, 15, подключенному соответственно к парам проводов 4, 5; 6, 7, соединяющим объекты 1 и 2, и к парам проводов 8, 9; 10, 11, соединяющим объекты 2 и 3.

Недостатком такой защиты является отсутствие защиты от возможных перенапряжений между проводами, например, между 5 и 6 или между 4 и 7. Возможен электрический пробой между самими устройствами защиты 12 и 13 или между 14 и 15, или между парами проводов 8, 10 или 9, 11.

Кроме того, указанные в этом патенте устройства защиты имеют ограниченные функциональные возможности, так как они предназначены только для двухпроводных линий, и для каждой пары проводов необходимо отдельное устройство защиты.

Недостатком применения в системе, изображенной на фиг.1, указанных в патенте [5] устройств защиты по фиг.2 является и то, что при таком техническом решении не выполняется защита оборудования от перенапряжений непосредственно между двумя или более проводами линии связи, и от перенапряжений между заземлением и любыми проводами линии связи. Оба вида указанных перенапряжений на линии связи могут возникать между различными проводами в любых сочетаниях как по отдельности, так и одновременно, и эти перенапряжения могут быть опасными для оборудования и персонала.

Описанное в этом патенте устройство защиты по схеме, изображенной на фиг. 2, содержит два входных сигнальных вывода 16, 17 для подключения к проводам линии связи, два выходных сигнальных вывода 18, 19 для подключения защищаемого оборудования, вывод 20 для подключения заземления, первую ступень защиты 21 на газонаполненном разряднике 22, подсоединенном к входным сигнальным выводам 16, 17, вторую ступень защиты 23 на варисторе 24, разделительные электрические сопротивления 25, 26.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков; в повышении надежности защиты за счет введения защиты от перенапряжений между любыми без исключения проводами линии связи в любых сочетаниях и и в расширении функциональных возможностей с целью обеспечения защиты оборудования, подключенного к многопроводной линии связи, одним устройством защиты, как показано на фиг.3 и фиг.4, вместо обычно применяемых нескольких устройств, предназначенных для двухпроводных линий.

Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении защищенности оборудования от перенапряжений между любыми проводами линии связи и повышении безопасности обслуживания за счет введения в устройство защиты от перенапряжений дополнительных элементов защиты и новых связей между ними. При этом одновременно с повышением качества защиты уменьшается, как показано на фиг. 3 и фиг.4, количество защитных устройств. Изображенная на фиг. 3 схема с четырехпроводными линиями связи между тремя объектами 1, 2, 3 аналогична показанной на фиг.1, но с применением на объекте 2 только одного предлагаемого устройства защиты 27 для четырех проводов 4-7 одной из линий связи между двумя объектами, вместо показанных на фиг.1 двух устройств 12 и 13. На фиг.4 изображена схема с четырехпроводными линиями связи между тремя объектами 1, 2, 3, аналогичная показанной на фиг.1, но с применением на объекте 2 вместо четырех устройств защиты только двух устройств по изобретению – 27 и 28, для проводов 4-7 и 8-11 соответственно.

Для достижения указанного результата устройство защиты оборудования от перенапряжений, содержащее: N входных сигнальных выводов для подключения к проводам линии связи; N выходных сигнальных выводов для подключения защищаемого оборудования; вывод заземления; первую ступень защиты с элементами защиты на разрядниках, подсоединенных ко входным сигнальным выводам; вторую ступень защиты с элементами защиты, имеющими характеристики симметричных диодных тиристоров, у которых время задержки срабатывания меньшее, чем время задержки срабатывания упомянутых разрядников первой ступени защиты, и подсоединенными к выходным сигнальным выводам; N разделительных электрических сопротивлений, каждое из которых одним выводом соединено с одним из входных сигнальных выводов, а вторым выводом соединено с соответствующим выходным сигнальным выводом, выполнено следующим образом, отличающим это устройство от известных.

Вторая ступень защиты в устройстве выполнена содержащей (m+N) элементов защиты с характеристиками симметричных диодных тиристоров, при этом выводы каждого из m элементов защиты соединены только с выходными выводами, а выводы каждого из остальных N элементов защиты соединены с выходными выводами и выводом заземления; причем соединения всех элементов защиты между собой выполнены таким образом, что электрическая схема соединений этих элементов защиты образует N-угольную пирамиду, в которой: m элементов защиты принадлежат основанию пирамиды – расположены на геометрических линиях основания пирамиды и каждый из них подсоединен своими выводами к одной из N вершин основания пирамиды, являющихся узловыми точками электрических соединений элементов защиты и эти N узловых точек электрически соединены с N выходными выводами устройства; а количество расположенных на основании пирамиды элементов защиты, имеющих характеристики симметричных диодных тиристоров, определяется следующими условиями:
m по меньшей мере равно N/2, но не более N(N-1)/2, т.е.

mN/2; mN(N-1)/2, (1)
а остальные элементы защиты с характеристиками симметричных диодных тиристоров имеют одинаковые параметры, расположены на боковых ребрах пирамиды и одними выводами подсоединены к упомянутым N узловым точкам на вершинах основания пирамиды, а вторые выводы этих N элементов защиты с характеристиками симметричных диодных тиристоров сходятся в (N+1)-й узловой точке их соединения в вершине пирамиды, которая электрически соединена с выводом заземления; и количество расположенных на боковых ребрах пирамиды элементов защиты с характеристиками симметричных диодных тиристоров равно N.

В частном случае исполнения предусмотрено, что первая ступень защиты содержит (k+N) элементов защиты на разрядниках, при этом выводы k элементов защиты на разрядниках соединены только с входными выводами, а выводы остальных N элементов защиты на разрядниках соединены с входными выводами и выводом заземления; причем соединения элементов защиты на разрядниках между собой выполнены таким образом, что электрическая схема соединений этих элементов защиты образует N-угольную пирамиду, в которой:
k элементов защиты на разрядниках принадлежат основанию пирамиды – расположены на геометрических линиях основания пирамиды и подсоединены своими выводами к N вершинам основания пирамиды, являющимися узловыми точками электрических соединений элементов защиты на разрядниках, и эти N узловых точек соединены с N входными выводами устройства; остальные N элементов защиты на разрядниках имеют одинаковые параметры, расположены на боковых ребрах пирамиды и одними выводами подсоединены к упомянутым N узловым точкам на вершинах основания пирамиды, а вторые выводы этих N элементов защиты на разрядниках сходятся в (N+1)-й узловой точке их соединения в вершине пирамиды, которая электрически соединена с выводом заземления; при этом на боковых ребрах пирамиды количество элементов защиты на разрядниках равно N, а количество элементов защиты на разрядниках, расположенных на основании пирамиды определяется условиями: k по меньшей мере равно N/2, но не более N(N-1)/2, т.е.

kN/2; kN(N-1)/2. (2)
В частном случае исполнения, при условии m (m+n)N(N-1)/2. (3)
В частном случае исполнения предусмотрено, что разрядники образованы искровыми промежутками.

В частном случае исполнения предусмотрено, что электрические схемы соединений элементов защиты первой и второй ступеней защиты выполнены одинаковыми и различаются только типами используемых элементов защиты, причем выполняется условие k=m.

В частном случае исполнения предусмотрено, что электрические схемы соединений элементов защиты первой и второй ступеней защиты выполнены одинаковыми и различаются только типами используемых элементов защиты, причем выполняется условие:
k=m=N(N-1)/2. (4)
В частном случае предусмотрено, что электрические схемы соединений элементов защиты первой и второй ступеней защиты одинаковы и различаются лишь типами используемых элементов защиты, и выполняется условие:
k=(m+n)=N(N-1)/2. (5)
Сущность известных решений иллюстрируется фиг.1, 2, а сущность предлагаемого изобретения и его применения – фиг.3-35.

На фиг. 1 изображена описанная в патенте [5] схема с четырехпроводными линиями связи между тремя объектами с применением для каждой пары проводов по одному известному устройству защиты, аналогичному показанному на фиг.2.

На фиг.2 изображена схема известного устройства защиты от перенапряжений для двухпроводной линии связи, описанная в патенте [5].

На фиг.3 изображена схема с четырехпроводными линиями связи между тремя объектами с применением вместо двух известных устройств только одного предлагаемого по изобретению устройства защиты для четырех проводов одной из линий связи между двумя объектами.

На фиг.4 изображена схема с четырехпроводными линиями связи между тремя объектами с применением вместо четырех известных устройств защиты по одному предлагаемому согласно изобретению устройству защиты для четырех проводов в обеих линиях связи между тремя объектами.

На фиг. 5 изображена схема устройства защиты по изобретению для N-проводной линии связи.

На фиг. 6-10 показано общее геометрическое представление пирамиды, ее боковых ребер и основания, являющихся основой для электрических соединений элементов защиты в устройстве по изобретению.

На фиг. 11 изображена схема электрическая устройства защиты для семипроводной линии связи.

На фиг. 12, 13 изображены схемы электрические входящих в устройство функциональных узлов соответственно первой и второй ступеней защиты для семипроводной линии связи, в которой не требуется обеспечение полной защиты между всеми проводами во всех возможных сочетаниях и достаточно неполной защиты, т.е. защиты от перенапряжений между определенными проводами линии.

На фиг. 14 изображена полная схема электрическая варианта исполнения входящего в устройство функционального узла, выполненного на разрядниках и являющегося первой ступенью устройства защиты для семипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений между всеми проводами во всех возможных сочетаниях.

На фиг.15 изображена схема электрическая первого подузла первой ступени защиты – основания пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для семипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений.

На фиг.16 изображена схема электрическая второго подузла первой ступени защиты – боковых ребер с вершиной пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для семипроводной линии связи.

На фиг.17 изображена схема электрическая второго подузла второй ступени защиты – боковых ребер с вершиной пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для семипроводной линии связи.

На фиг.18 изображена схема электрическая первого подузла второй ступени полной защиты – основания пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для семипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений.

На фиг. 19 изображена схема электрическая устройства защиты по изобретению с использованием газонаполненных разрядников и симметричных диодных тиристоров для шестипроводной линии связи.

На фиг.20 изображена схема электрическая первого подузла второй ступени защиты – основания шестиугольной пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для шестипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений, образованная из схемы семиугольного основания на фиг.18 удалением элементов защиты, не используемых при шестипроводной линии связи. Эта же схема изображена на фиг.21 в виде правильного шестиугольника.

На фиг.22 изображена схема электрическая второго подузла второй ступени полной защиты – боковых ребер с вершиной пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для шестипроводной линии связи.

На фиг.23 изображена схема электрическая второго подузла первой ступени защиты – боковых ребер с вершиной пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для шести проводной линии связи.

На фиг.24 изображена схема электрическая первого подузла первой ступени защиты – основания пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для шестипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений.

На фиг. 25 изображена схема электрическая входящего в устройство функционального узла второй ступени защиты для семипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений, выполненно на симметричных диодных тиристорах.

На фиг. 26 изображена схема электрическая устройства защиты для шестипроводной линии связи со смешанной защитой с применением элементов защиты различных типов.

На фиг.27 изображена схема электрическая первого подузла первой ступени для защиты – основания пирамиды, – на газонаполненных разрядниках и разрядниках других типов для шестипроводной линии связи, не требующей полной защиты от перенапряжений.

На фиг.28 изображена схема электрическая первого подузла второй ступени полной защиты – основания пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах и разрядниках для шестипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений.

На фиг. 29 изображена схема электрическая устройства по изобретению для защиты от перенапряжений на пятипроводной линии связи, содержащая полную схему функционального узла второй ступени защиты на симметричных диодных тиристорах.

На фиг.30 изображена схема электрическая первого подузла второй ступени защиты – основания пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для пятипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений.

На фиг.31 изображена схема электрическая второго подузла второй ступени защиты – боковых ребер с вершиной пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для пятипроводной линии связи.

На фиг.32 изображена схема электрическая первого подузла первой ступени защиты – основания пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для пятипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений.

На фиг.33 изображена схема электрическая второго подузла первой ступени защиты – боковых ребер с вершиной пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для пятипроводной линии связи.

На фиг. 34 изображена схема электрическая устройства по изобретению для полной защиты от перенапряжений на четырехпроводной линии связи, содержащая полные схемы функциональных узлов первой и второй ступеней защиты на газонаполненных разрядниках и симметричных диодных тиристорах соответственно.

На фиг. 35 изображена схема электрическая устройства по изобретению для полной защиты от перенапряжений на четырехпроводной линии связи, содержащая полные схемы функциональных узлов первой и второй ступеней защиты с элементами защиты различных типов.

Ниже приводится описание устройства вариантов исполнения устройства для различных случаев его применения.

На схеме электрической устройства защиты по изобретению для N-проводной линии связи, изображенной на фиг.5, показано, из каких основных узлов состоит устройство.

Узел входных сигнальных выводов 29 включает в себя N выводов, предназначенных для подключения к N проводам линии связи; они являются входными выводами устройства защиты. Через них поступают полезные сигналы и появляющиеся на линии перенапряжения.

Узел выходных сигнальных выводов 30 включает в себя N выходных выводов устройства защиты, которые предназначены для подключения входных, выходных или двунаправленных выводов защищаемого оборудования.

Вывод 31 устройства предназначен для подключения заземления.

Первая ступень защиты 32 содержит функциональный узел 33 на разрядниках и имеет выводы для электрического соединения с входными выводами узла 29 и вывод для соединения с выводом заземления 31.

Вторая ступень защиты 34 содержит функциональный узел 35 преимущественно на симметричных диодных тиристорах и имеет выводы для соединения с выходными выводами узла 30 и вывод для электрического соединения с выводом заземления 31.

Согласно изобретению элементы защиты, входящие в функциональный узел защиты по меньшей мере одной из ступеней защиты, расположены на геометрических линиях некоторой условной, например, правильной пирамиды. На фиг.6 показано геометрическое изображение пирамиды с вершиной 37. Основание пирамиды имеет вершины 38-44; с ними соединены одни концы боковых ребер пирамиды, а вторые концы этих ребер сходятся в точке их соединения – вершине 37. На фиг.7 отдельно изображены ее боковые ребра, на фиг.8 – основание, а на фиг.9, 10 – в виде правильных геометрических фигур изображены проекция боковых ребер правильной пирамиды на плоскость ее основания и основание пирамиды; на основе этих фигур далее представляются электрические соединения элементов защиты в устройствах по изобретению для многопроводных линий связи.

Схема электрическая устройства защиты по изобретению для применения при семипроводной линии связи, изображенная на фиг.11, может быть использована для линии связи, в которой одна пара проводов служит для передачи, вторая – для приема, и три провода – для контроля, диагностики или управления, например, для необслуживаемого объекта.

Узел входных сигнальных выводов 45 включает в себя выводы 46-52, предназначенные для подключения к линии связи, которые являются входными выводами устройства защиты. Через них поступают полезные сигналы и появляющиеся на линии перенапряжения.

Узел выходных сигнальных выводов 53 включает в себя выходные выводы 54-60 устройства защиты, которые предназначены для подключения входных, или выходных, или двунаправленных, или иных выводов защищаемого оборудования. Вывод 31 предназначен для подключения заземления.

Первая ступень защиты 61 содержит функциональный узел 62 на разрядниках и имеет выводы 63-69 для соединения с входными выводами 46-52 и вывод 70 для соединения с выводом заземления 31.

Вторая ступень защиты 71 содержит функциональный узел 72 на симметричных диодных тиристорах и имеет выводы 73-79 для соединения с выходными выводами 54-60 и вывод 80 для соединения с выводом заземления 31.

Узел электрических сопротивлений 36 включает в себя сопротивления, предназначенные для разделения первой и второй ступеней с целью уменьшения влияния второй ступени на работу первой; выводы этих сопротивлений подсоединены к входным выводам 46-52 и к выходным выводам 54-60.

На фиг. 12 изображена предназначенная для использования в показанном на фиг.11 устройстве схема электрическая функционального узла 89 первой ступени защиты, являющегося вариантом исполнения показанного на фиг.11 узла 62, для случая семипроводной линии связи, в которой не требуется обеспечение полной защиты и достаточно защиты от перенапряжений между определенными проводами линии. В качестве элементов защиты здесь использованы разрядники, они расположены на геометрических линиях пирамиды с вершиной 90. Вершины основания 91-97 являются узловыми точками электрических соединений выводов всех разрядников 98-108; эти узловые точки подключены к выводам 63-69 данного функционального узла 89.

На геометрических линиях сторон основания пирамиды 91-92, 93-94, 95-96, 96-97 расположены разрядники 105, 106, 107, 108. На геометрических линиях боковых ребер пирамиды 91-90, 92-90, 93-90, 94-90, 95-90, 96-90, 97-90 расположены разрядники 98-104, и узловая точка их соединения 90 подсоединена к выводу 70 данного функционального узла 89.

На фиг. 13 изображена схема электрическая устанавливаемого в показанное на фиг. 11 устройство функционального узла 109 второй ступени защиты, являющегося вариантом исполнения показанного на фиг.11 узла 72, для случая семипроводной линии связи, в которой не требуется обеспечение полной защиты и достаточно защиты от перенапряжений между определенными проводами линии. В качестве элементов защиты здесь использованы симметричные диодные тиристоры, которые расположены на геометрических линиях условной пирамиды с вершиной 110. Вершины основания 111-117 являются узловыми точками электрических соединений выводов симметричных диодных тиристоров 118-128; эти узловые точки подключены к выводам 73-79 данного функционального узла 109. На геометрических линиях сторон основания пирамиды расположены разрядники 125-128. На геометрических линиях боковых ребер пирамиды расположены разрядники 118-124, и узловая точка их электрического соединения 110 в вершине пирамиды подсоединена к выводу 80 данного функционального узла 109.

Элементы защиты на ребрах пирамиды служат для защиты от перенапряжений между проводом линии и землей.

На фиг.14 изображена схема электрическая устанавливаемого в устройство, показанное на фиг. 11, функционального узла 129 второй ступени защиты, являющегося вариантом исполнения показанного на фиг.11 узла 62, для случая семипроводной линии связи, в которой требуется обеспечение полной защиты от перенапряжений между всеми проводами линии во всех возможных сочетаниях. В качестве элементов защиты здесь использованы разрядники, которые расположены на геометрических линиях пирамиды с вершиной 130. Вершины основания 131-137 являются узловыми точками электрических соединений выводов всех разрядников; эти узловые точки подключены к выводам 63-69 данного функционального узла 129. Разрядники установлены на геометрических линиях сторон и диагоналей основания пирамиды и на геометрических линиях боковых ребер пирамиды. Узловая точка 130 электрического соединения разрядников, лежащих на боковых ребрах пирамиды, подсоединена к выводу 70 данного функционального узла 129.

На фиг.15 изображена схема электрическая первого подузла первой ступени защиты – основания пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для семипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений, являющегося частью функционального узла 62 в устройстве, показанном на фиг.11. Разрядники установлены на геометрических линиях всех сторон и всех диагоналей основания пирамиды и соединяют вершины 138-144 основания пирамиды, которые подключены к выводам 63-69 изображенного на фиг.11 функционального узла 62. Из всех разрядников 145-165 на семи сторонах основания этого семиугольника расположены газонаполненные разрядники 145, 155, 159, 162, 164, 165, 150, а остальные разрядники расположены на его диагоналях.

На фиг.16 изображена схема электрическая второго подузла первой ступени полной защиты – боковых ребер пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для семипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений, являющегося частью функционального узла 62 в устройстве, показанном на фиг.11. Разрядники установлены на геометрических линиях боковых ребер пирамиды. В проекции на плоскость основания пирамиды боковые ребра образуют семиконечную звезду, узловые точки 138-144 которой затем электрически соединяются с соответствующими вершинами 138-144 изображенного на фиг.15 основания пирамиды. Узловая точка 166 соединения ребер в вершине пирамиды соединяется с выводом 70 показанного на фиг.11 функционального узла 62.

Для случая полной защиты схемы показанного на фиг.11 функционального узла 72 и электрических соединений в образующих его подузлах аналогичны изображенным на фиг.15 и фиг.16.

На фиг. 17 изображена схема электрическая одного подузла второй ступени показанного на фиг.11 функционального узла 72 – боковых ребер с вершиной пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для семипроводной линии связи. Боковые ребра образуют семиконечную звезду, узловые точки 175-181 которой затем соединяются с соответствующими вершинами изображенного на фиг.18 основания пирамиды. Узловая точка 174 соединения ребер в вершине пирамиды соединяется с выводом 80 показанного на фиг.11 функционального узла 72.

На фиг.18 изображена схема электрическая другого подузла второй ступени показанного на фиг.11 функционального узла 72 полной защиты – основания пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для семипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений. Схема электрических соединений показанного на фиг.18 подузла основания пирамиды функционального узла 72 на симметричных диодных тиристорах аналогична схеме, изображенной на фиг.15.

Симметричные диодные тиристоры установлены на геометрических линиях сторон и диагоналей основания пирамиды и соединяют вершины 175-181 основания пирамиды, которые подключены к выводам 73-79 изображенного на фиг.11 функционального узла 72. На сторонах основания расположены симметричные диодные тиристоры 189, 195, 200, 204, 207, 209, 194. Остальные лежат на диагоналях семиугольного основания.

Схема электрическая устройства защиты по изобретению для шестипроводной линии связи, изображенная на фиг.19, может быть применена для линии с тремя парами проводов, из которых одна служит для передачи, вторая – для приема, третья – для контроля, диагностики или управления, например, для необслуживаемого объекта. Схема имеет такую же структуру, как и схема на фиг.11, и образована из нее удалением незадействованных выводов и соединений.

Узел входных сигнальных выводов 45 включает в себя выводы 46-51, предназначенные для подключения к линии связи, являются входными выводами устройства защиты. Узел выходных сигнальных выводов 53 включает в себя выходные выводы 54 – 59 устройства защиты, которые предназначены для подключения входных или выходных выводов защищаемого оборудования. Вывод 31 предназначен для подключения заземления.

Первая ступень защиты 61 содержит функциональный узел 210 на газонаполненных разрядниках и имеет выводы 63-68 для соединения с входными выводами 46-51 и вывод 70 для соединения с выводом заземления 31.

Вторая ступень защиты 71 содержит функциональный узел 211 на симметричных диодных тиристорах и имеет выводы 73-78 для соединения с выходными выводами 54-59 и вывод 80 для соединения с выводом заземления 31.

Узел электрических сопротивлений 81 включает в себя сопротивления, предназначенные для разделения первой и второй ступеней с целью уменьшения влияния второй ступени на работу первой, выводы этих сопротивлений подсоединены к входным выводам 46-51 и к выходным выводам 54 – 59.

Схема устройства защиты для семипроводной линии связи, которая изображена на фиг.11, далее рассматривается как базовая, из которой после изменений образуются схемы более низкого порядка посредством удаления не требующихся связей и элементов схемы.

На фиг.20 изображена схема первого подузла второй ступени полной защиты – основания пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах для шестипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений. Эта схема в виде неправильного шестиугольника отличается от схемы на фиг.18, из которой она получена, отсутствием одной вершины 177 на основании и соединенных с ней симметричных диодных тиристоров 195, 190, 203, 202, 201, 200.

На фиг.21 представлена схема преобразованной фиг.20 в более удобной форме графического представления – в виде правильного шестиугольника.

На фиг.22 изображена предназначенная для шестипроводной линии связи схема электрическая второго подузла второй ступени защиты – боковых ребер с вершиной шестиугольной пирамиды, – на шести симметричных диодных тиристорах 182-183, 185-188 с вершиной 174.

На фиг.23 изображена предназначенная для шестипроводной линии связи схема электрическая второго подузла первой ступени защиты на газонаполненных разрядниках 167-168, 170-173, размещенных на боковых ребрах пирамиды с вершиной 166.

На фиг.24 изображена схема электрическая первого подузла первой ступени полной защиты – основания пирамиды, – на газонаполненных разрядниках для шестипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений. Эта схема отличается от схемы на фиг.15 отсутствием одной вершины 140 на основании и соединенных с ней разрядников 155, 146, 156, 157, 158, 159.

На фиг.25 изображена полная схема входящего в устройство функционального узла 211 второй ступени защиты для семипроводной линии связи с полной защитой от перенапряжений, выполненного на симметричных диодных тиристорах. Нумерация выводов этого узла совпадает с нумерацией на фиг.19.

На фиг.26 изображена схема устройства защиты по изобретению для шестипроводной линии связи со смешанной защитой посредством элементов защиты различных типов. Функциональный узел 212 первой ступени 61 выполнен на различных разрядниках. Функциональный узел 213 второй ступени 71 выполнен на симметричных диодных тиристорах и разрядниках.

На фиг.27 изображена предназначенная для шестипроводной линии связи, не требующей полной защиты от перенапряжений, схема электрическая первого подузла первой ступени – основания пирамиды, – на различных разрядниках. По сравнению со схемой фиг.24 здесь отсутствуют диагонали основания с шестью разрядниками 151, 152, 153, 147, 160, 161.

На фиг.28 изображена предназначенная для шестипроводной линии связи, не требующей полной защиты от перенапряжений, схема электрическая первого подузла второй ступени полной защиты – основания пирамиды, – на симметричных диодных тиристорах и разрядниках, напряжения пробоя которых ниже, чем в первой ступени на фиг.27. Схема образована из схемы фиг.21 таким же образом, как и на фиг. 27, исключением из схемы фиг.21 шести симметричных диодных тиристоров.

На фиг. 29 изображена схема электрическая устройства по изобретению для полной защиты от перенапряжений на пятипроводной линии связи, содержащая полную схему функционального узла 220 второй ступени защиты на симметричных диодных тиристорах. Она образована удалением из схемы фиг.19 не требующихся связей и элементов схемы, т.е. выводов 51, 59, элемента схемы 87, а также выводов 68 и 78 в функциональных узлах 210 и 211. Подузлы функциональных узлов 221 и 220 изображены отдельно на фиг.30-33; они также образованы исключением неиспользуемых элементов соответствующих схем фиг.21-24 для шестипроводной линии связи.

На фиг. 34 изображена схема электрическая устройства по изобретению для полной защиты от перенапряжений на четырехпроводной линии связи, содержащая полные схемы функциональных узлов первой и второй ступеней защиты на газонаполненных разрядниках и симметричных диодных тиристорах соответственно.

На фиг. 35 изображена схема электрическая устройства по изобретению для полной защиты от перенапряжений на четырехпроводной линии связи, содержащая полные схемы функциональных узлов первой и второй ступеней защиты с элементами защиты различных типов.

Схемы на фиг.34-35 образованы из схем для пятипроводной линии путем исключения неиспользуемых элементов защиты из схем, изображенных на фиг.29-31, аналогично предыдущим схемам.

Условие “k по меньшей мере равно N/2” введено из соображений возможности обеспечения минимальной защиты от перенапряжений между парой сигнальных проводов для случаев, когда линия содержит несколько пар проводов, или когда в линии, помимо парных сигнальных проводов, имеется их нечетное количество, например, хотя бы один трехпроводный канал связи.

Для любой схемы защиты, выполненной по изобретению в виде пирамиды, справедливы следующие аналитические выражения, которые определяют необходимое количество элементов защиты на один функциональный узел одной из ступеней защиты:
1. Для N-проводной связи для полной защиты необходимо число элементов защиты равно N(N+1)/2, из них N на боковые ребра пирамиды, и N(N-1)/2 на основание. Выражение N(N+1)/2 представляет максимально возможное общее количество всех ребер N-угольной пирамиды, а также сторон и диагоналей ее основания, а значит, и количество элементов защиты в схеме.

2. При увеличении числа проводов в существующей линии из N проводов на один провод, т. е. до величины (N+1), число необходимых элементов защиты в устройстве полной защиты увеличивается на (N+1), из них один – на боковые ребра пирамиды, и N – на основание. Это следует из указанных выше свойств пирамиды.

3. При уменьшении числа проводов в существующей линии из N проводов на один провод, т.е. до величины (N-1), в устройстве полной защиты число необходимых элементов защиты уменьшается на N, из них на один элемент – на боковых ребрах пирамиды, и на (N-1) элемент – на основании. Это также следует из свойств пирамиды.

Из вышеизложенного следует, что при увеличении числа проводов в многопроводной линии связи даже на один провод простого добавления одного известного устройства защиты недостаточно; необходимо изменение полной схемы устройства защиты и количества элементов защиты с учетом описанного геометрического представления и соответствующих формул (1-3).

Все остальные математические выражения носят ограничительный характер -предотвращают возможность нарушения свойств пирамиды. Например, количество максимально возможное общее количество элементов защиты в схеме не должно превышать общее количество всех ребер N-угольной пирамиды, а также сторон и диагоналей ее основания.

Например, для полной защиты четырехпроводной линии связи, т.е. N=4 для одной из ступеней защиты требуется 10 элементов защиты, расположенных в виде четырехугольной пирамиды, из которых N=4 расположены на боковых ребрах, а остальные 6 – на основании пирамиды. При увеличении числа проводов в линии связи до N= 5 количество элементов защиты в том же функциональном узле необходимо увеличить на 5, из которых один элемент необходимо добавить на боковых ребрах, а остальные 4 добавить на основание пирамиды, введя необходимые дополнения в схеме соединений и общей схеме устройства.

Переход от пятипроводной линии к шестипроводной при полной защите потребует увеличения количества элементов защиты на 6 элементов на один функциональный узел; переход от шестипроводной к семипроводной – увеличит на 7 элементов; переход от семипроводной к восьмипроводной – увеличит на 8 элементов и т.д.

Устройство фиг. 35 для полной защиты от перенапряжений на четырехпроводной линии связи, содержит полные схемы функциональных узлов первой и второй ступеней защиты с элементами защиты различных типов.

Устройство фиг.35 работает следующим образом.

При нормальных условиях работы и отсутствии перенапряжений между самими проводами линии связи или между проводами и землей, и на входах 46-49, подключенных к линии связи, полезный сигнал проходит без существенного ослабления через элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления 224-227 на выходы 54-57. Так как максимальная амплитуда напряжения полезного сигнала недостаточна для срабатывания элементов защиты, элементы защиты первой 61 и второй 71 ступеней защиты в функциональных узлах 223 и 222 не срабатывают.

Т.е. не срабатывают ни симметричные диодные тиристоры 204, 209, 185-188, ни разрядники 232-235 функционального узла 222; не срабатывают также разрядники 162, 165, 224-231 функционального узла 223.

При появлении между какими-либо (в любом сочетании) проводами подключенной к устройству защиты линии связи повышенного напряжения, величина которого превышает пороговое напряжение включения защиты, сначала включаются расположенные на основании пирамиды и имеющие малое время задержки включения соответствующие симметричные диодные тиристоры 204 или 209, или соответствующие разрядники из 232-235, имеющие меньшее время задержки срабатывания, чем разрядники первой ступени защиты 61, расположенные на основании пирамиды функционального узла 223. Затем суммарное падение напряжения на включенных элементах защиты узла 222 и последовательно соединенных с ними разделительных сопротивлениях 224-227 постепенно превышает напряжение срабатывания соединенных с ними разрядников первой ступени 61, расположенных на основании пирамиды функционального узла 223, и соответствующие разрядники первой ступени защиты срабатывают. Время задержки срабатывания разрядников первой ступени больше, чем у элементов защиты второй ступени, поэтому всегда сначала срабатывает защита второй ступени, а затем защита на разрядниках первой ступени. Импульсы перенапряжения, а также и полезные сигналы, не проходят на выходные выводы 54-57 устройства и защищаемое оборудование. Если бы разрядники первой ступени защиты 61 были бы подсоединены параллельно элементам защиты второй ступени 71 непосредственно, а не через разделительные сопротивления 224-227, то разрядники первой ступени 61 могли бы сработать только после перегорания шунтирующих их элементов защиты второй ступени 71. Допустимый ток через каждый из разрядников первой ступени 61 значительно превышает допустимый ток через элементы защиты второй ступени 71, и срабатывание соответствующего разрядника первой ступени 61 защищает элементы защиты второй ступени 71 от возможных длительных перегрузок по току.

При длительном воздействии перенапряжения включаются элементы защиты второй ступени 71, ток через них и сопротивления – элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления 224-227 приводит к нагреву последних и значительному увеличению их сопротивления. В результате ток уменьшается до уровня, безопасного для элементов схемы и защищаемого оборудования. Тем временем срабатывают и элементы защиты первой ступени 61, и основной ток течет через них. После прекращения воздействия перенапряжения ток через соответствующий элемент из 224-227 с положительным температурным коэффициентом сопротивления уменьшается, он остывает и его сопротивление возвращается к исходной величине. Напряжение на соответствующем выходе 54-57 устройства при его работе имеет следующий вид. Сначала появляется кратковременный импульс, длительность которого определяется суммой времени нарастания входного напряжения до величины порогового напряжения срабатывания элемента защиты второй ступени 71 и времени задержки его срабатывания. После срабатывания элементов защиты второй ступени 71 напряжение на выходе спадает до величины падения напряжения на этом элементе защиты. Таким образом, выходное напряжение между выводами 54-57 ограничивается до уровня падения напряжения на включенных элементах защиты второй ступени из расположенных на основании пирамиды функционального узла 222 элементов защиты 204, 209, 232-235.

Через промежуток времени, равный сумме времени нарастания входного напряжения до величины порогового напряжения срабатывания разрядника первой ступени и времени задержки его срабатывания, разрядник первой ступени переходит в проводящее состояние. В проводящем состоянии падение напряжения на разряднике мало; при этом ток импульса перенапряжения протекает по двум параллельным цепям – через разрядник первой ступени 61, а также через элемент защиты второй ступени 71 и элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления, а напряжение на выходных выводах определяется падением напряжения на включенном элементе защиты второй ступени 71.

При снижении входного напряжения снижается ток через элементы защиты второй ступени 71. Далее ток уменьшается до уровня, при котором разрядник первой ступени 61 отключается, а ток может продолжать некоторое время протекать через элементы 224-227 с положительным температурным коэффициентом сопротивления и элементы защиты второй ступени 71. Дальнейшее уменьшение напряжения и тока через соответствующий элемент защиты второй ступени 71 приводит к его отключению.

При появлении перенапряжения на входе между одним из подключенных к линии связи выводов 46-49 и землей, а следовательно, и выводом заземления 31, амплитуда которого превышает заданное пороговое напряжение срабатывания защиты, сначала включается расположенный на одном из боковых ребер пирамиды функционального узла 222 соответствующий элемент защиты второй ступени 71 – один из обозначенных номерами 185-188. Затем срабатывает соответствующий разрядник из обозначенных номерами 224-227 на боковых ребрах пирамиды функционального узла 223 первой, защищая от перенапряжения участок электрической цепи межу выводом заземления 35 и соответствующим выходным выводом из 54-57 устройства защиты с подключенным к нему защищаемым оборудованием.

При этом выходное напряжение ограничивается до уровня падения напряжения на включенных симметричных диодных тиристорах 185-188 на боковых ребрах пирамиды. В остальном работа устройства сходна с описанной выше работой при перенапряжениях между самими проводами линии связи.

При появлении перенапряжения на входе между землей (а следовательно, и выводом заземления 31) и не одним, а несколькими входными выводами из 46-49, сначала срабатывают несколько соответствующих элементов защиты второй ступени из обозначенных номерами 185-188 на боковых ребрах пирамиды функционального узла 222. Аналогично срабатывают и соответствующие разрядники из 224-227 на боковых ребрах пирамиды функционального узла 223 первой ступени 61. В остальном работа устройства сходна с описанной выше работой при перенапряжениях между проводами.

В качестве разделительных электрических сопротивлений в устройстве могут быть использованы позисторы – резисторы из керамических полупроводниковых материалов; резисторы с положительным температурным коэффициентом из специальных полимерных материалов; другие элементы со сходными обратимыми характеристиками или элементы с коммутируемыми цепями.

В качестве разделительных электрических сопротивлений между первой и второй ступенями защиты могут быть также использованы элементы схемы, содержащие активные и реактивные сопротивления, другие нелинейные приборы, элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и другие элементы.

Принцип работы устройства по любому из остальных чертежей для полной и неполной защиты существенно не отличается от описанной.

Устройство по изобретению повышает надежность защиты от перенапряжений и может применяться для грозозащиты и иных перенапряжениях на линии связи, в том числе на необслуживаемых регенераторных пунктах.

Применение одного устройства для защиты от перенапряжений на линии связи по настоящему изобретению позволяет заменить несколько известных устройств, предназначенных для защиты только двухпроводных линий связи, что упрощает систему защиты, уменьшает количество деталей и при этом обеспечивает защиту от перенапряжений между любыми проводами на линии связи.

Источники информации
1. Ю. Н. Корнышев, А.Я. Маркович, М.Н. Пискер, В.М. Романцов. Стационарное оборудование сельской телефонной связи. – М.: Радио и связь, 1990, с. 280, рис.15.1в.

2. ГОСТ 5238-81 Схемы защиты от опасных напряжений и токов, возникающих на линиях. Технические требования. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

3. Заявка РФ 94000893 – Устройство для защиты двухпроводных линий от перенапряжений, МПК⁶ Н 02 Н 9/04, опубл. 1995.

4. Патент РФ 2050663 – Устройство защиты от грозовых импульсов перенапряжений двухпроводной линии связи, МПК⁶ Н 02 Н 9/04, опубл. 1995.

5. Патент США 52722588 – Surge protector, US Class 361/119, МПК Н 02 Н 9/04, опубл. 1990.

Формула изобретения

1. Устройство защиты оборудования от перенапряжений, содержащее N входных сигнальных выводов для подключения к проводам линии связи; N выходных сигнальных выводов для подключения защищаемого оборудования; вывод заземления; первую ступень защиты с элементами защиты на разрядниках, подсоединенных ко входным сигнальным выводам; вторую ступень защиты с элементами защиты, имеющими характеристики симметричных диодных тиристоров, у которых время задержки срабатывания меньшее, чем время задержки срабатывания упомянутых разрядников первой ступени защиты, и подсоединенными к выходным сигнальным выводам; N разделительных электрических сопротивлений, каждое из которых одним выводом соединено с одним из входных сигнальных выводов, а вторым выводом соединено с соответствующим выходным сигнальным выводом, отличающееся тем, что вторая ступень защиты содержит (m+N) элементов защиты с характеристиками симметричных диодных тиристоров, при этом выводы каждого из m элементов защиты соединены только с выходными выводами, а выводы каждого из остальных N элементов защиты соединены с выходными выводами и выводом заземления, причем соединения всех элементов защиты между собой выполнены таким образом, что электрическая схема соединений этих элементов защиты образует N-угольную пирамиду, в которой m элементов защиты принадлежат основанию пирамиды – расположены на геометрических линиях основания пирамиды и каждый из них подсоединен своими выводами к одной из N вершин основания пирамиды, являющихся узловыми точками электрических соединений элементов защиты, и эти N узловых точек электрически соединены с N выходными выводами устройства, а количество элементов защиты, имеющих характеристики симметричных диодных тиристоров, на основании пирамиды определяется следующими условиями: m по меньшей мере равно N/2, но не более N(N-1)/2, т.е.

mN/2;
mN(N-1)/2,
а остальные элементы защиты с характеристиками симметричных диодных тиристоров имеют одинаковые параметры, расположены на боковых ребрах пирамиды и одними выводами подсоединены к упомянутым N узловым точкам на вершинах основания пирамиды, вторые выводы этих N элементов защиты с характеристиками симметричных диодных тиристоров сходятся в (N+1)-й узловой точке их соединения в вершине пирамиды, которая электрически соединена с выводом заземления; и количество расположенных на боковых ребрах пирамиды элементов защиты с характеристиками симметричных диодных тиристоров равно N.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая ступень защиты содержит (k+N) элементов защиты на разрядниках, при этом выводы k элементов защиты на разрядниках соединены только с входными выводами, а выводы остальных N элементов защиты на разрядниках соединены с входными выводами и выводом заземления, причем соединения элементов защиты на разрядниках между собой выполнены таким образом, что электрическая схема соединений этих элементов защиты образует N-угольную пирамиду, в которой k элементов защиты на разрядниках принадлежат основанию пирамиды – расположены на геометрических линиях основания пирамиды и подсоединены своими выводами к N вершинам основания пирамиды, являющимися узловыми точками электрических соединений элементов защиты на разрядниках, и эти N узловых точек соединены с N входными выводами устройства, остальные N элементов защиты на разрядниках имеют одинаковые параметры, расположены на боковых ребрах пирамиды и одними выводами подсоединены к упомянутым N узловым точкам на вершинах основания пирамиды, а вторые выводы этих N элементов защиты на разрядниках сходятся в (N+1)-й узловой точке их соединения в вершине пирамиды, которая электрически соединена с выводом заземления, при этом на боковых ребрах пирамиды количество элементов защиты на разрядниках равно N, а количество элементов защиты на разрядниках, расположенных на основании пирамиды определяется условиями
k по меньшей мере равно N/2, но не более N(N-1)/2, т.е.

kN/2;
kN(N-1)/2.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в частном случае, при условии, что m (m+n)<(N(N-1)/2.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что разрядники образованы искровыми промежутками.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что электрические схемы соединений элементов защиты первой и второй ступеней защиты выполнены одинаковыми и различаются только типами используемых элементов защиты, причем k=m.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что электрические схемы соединений элементов защиты первой и второй ступеней защиты выполнены одинаковыми и различаются только типами используемых элементов защиты, причем выполняется условие
k=m=N(N-1)/2.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что электрические схемы соединений элементов защиты первой и второй ступеней защиты выполнены одинаковыми и различаются только типами используемых элементов защиты, причем выполняется условие
k=(m+n)=N(N-1)/2.

РИСУНКИ

(n-1)>(n-1)>