[01-2024] Унификация методов контроля параметров УЗИП

[Admin]

Унификация методов контроля параметров УЗИП

КУЗНЕЦОВ Михаил Борисович, ООО «1520 Сигнал», системный инженер по защите от перенапряжений, канд. физ.-мат. наук, Москва, Россия
ЩЕРБИНА Евгений Геннадьевич, ООО «1520 Сигнал», технический директор, доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия
ПАВЛОВ Евгений Владимирович,
ООО «1520 Сигнал», заместитель генерального директора, канд. техн, наук, Москва, Россия

Ключевые слова: УЗИП, защита от перенапряжений, контроль параметров УЗИП
Аннотация. Работа посвящена решению задач выбора устройств защиты оборудования микропроцессорной централизации и других систем железнодорожной автоматики и телемеханики от импульсных перенапряжений в условиях неустоявшихся технологий отечественного производства на начальном этапе импортозамещения. Рассмотрены вопросы входного контроля, анализа используемых методов контроля, разработки универсальной методики проверки параметров и инструментальных средств контроля.

В результате ухода с рынка западных производителей устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и устройств для проверки УЗИП импортозамещение приобрело особую актуальность. Если для создания собственных УЗИП производителям допустимо было в точности повторить параметры уже проверенных и применяемых ранее устройств, а потребителям проконтролировать точность этого повторения, то при создании российского испытательного генератора (ИГ) для проверки УЗИП пришлось практически работать с нуля. Это объясняется отсутствием нормативных документов, устанавливающих технические требования и методы неразрушающих испытаний. Применяемое для этих целей в МПЦ западное инструментальное средство имело существенные недостатки: не позволяло тестировать УЗИП других производителей, не давало значения тестируемых параметров.
В связи с этим была поставлена задача создать такой прибор, который позволял бы неразрушающим методом тестировать не только УЗИП, защищающие аппаратуру МПЦ, но и другие УЗИП, применяемые для защиты аппаратуры ЖАТ, по единой унифицированной методике.
Однако существующие на настоящий момент технологические карты проверки УЗИП оказались совершенно не унифицированы.
Так, для одних типов варисторов (ВОЦН, ВОЦШ) согласно технологическим картам контролируется ток утечки при максимальных рабочих напряжениях и коэффициент нелинейности, для вторых (ВМ-130, ВМ-250, ВМ-320) -ток утечки при максимальных рабочих напряжениях и классификационное напряжение, для третьих (УЗП1-500) - ток утечки при максимальных рабочих напряжениях, коэффициент третьей гармоники и классификационное напряжение,
для четвертых (VAL-MS 230 ST) -ток утечки при максимальных рабочих напряжениях и постоянство тока утечки в течение 1 мин. При этом даже в методиках измерения тока утечки при максимальных рабочих напряжениях нет единообразия: для одних варисторов этот ток не должен превышать 0,3 мА, для других - 0,4 мА, для третьих -0,5 мА. Следует также отметить, что измерение коэффициента нелинейности без определения классификационного напряжения не дает полной информации о пригодности варистора.

Похожая ситуация наблюдается и с технологическими картами для разрядников. Для одних разрядников (РКН, РУ-И-01) определяют статическое напряжение пробоя, для других (PT-4 RW ST, F-MS/12FM) - статическое напряжение пробоя и ток утечки при максимальных рабочих напряжениях, а для некоторых (УЗП1 РУ-1000) проверяют только сопротивление между полюсами и корпусом при подаче напряжения в 500 В. Очевидно, что в последнем случае проверяемых параметров недостаточно для определения работоспособности УЗИП, поскольку, если разрядник будет иметь статическое напряжение пробоя 2-4 кВ (не сработает при подаче 500 В между полюсом и корпусом), это не будет выявлено в результате проверки. При этом разрядник не сможет обеспечить защиту аппаратуры.
Такое разнообразие наборов проверки не обусловлено никакими отличиями в принципе действия или конструкции устройств защиты и представляется результатом неско-ординированности разработчиков.
В результате анализа фактического состояния дел в области контроля работоспособности УЗИП было разработано техническое задание, по которому изготовлен и поставлен на производство испытательный генератор. Он аттестован в установленном порядке по ГОСТ Р 8.568 [1], имеет все необходимые для эксплуатации и периодической аттестации документы, декларацию соответствия ТР ТС 004/2011 и 020/2011, включен в Реестр средств измерений, испытательного оборудования и методик измерений, применяемых в ОАО «РЖД» (Свидетельство о регистрации № МТ 135.2023).

Испытательный генератор способен:

• проверять неразрушающим методом все типы УЗИП с напряжением защиты, не превышающим 2,5 кВ (такое значение выбрано с запасом исходя из того, что УЗИП с более высоким уровнем защиты не должны применяться для защиты микропроцессорной аппаратуры ЖАТ, уровень устойчивости которой к импульсным помехам не превышает 2 кВ согласно ГОСТ 33436.4-1 [2]);
• проверять для разрядников и комбинированных УЗИП как ток утечки при максимальном рабочем напряжении (не должен превышать 5 мкА), так и статическое напряжение пробоя;
• проверять для варисторов как ток утечки при максимальном рабочем напряжении (не должен превышать 0,3 мА), так и классификационное напряжение варистора;
• проверять выборочно уровень защиты УЗИП при воздействии импульса с формой 1,2/50 мкс и напряжением 1,2 или 3 кВ;
• вводить в базу данных проверяемые параметры УЗИП (что позволяет тестировать любые УЗИП с уровнем защиты до 2,5 кВ), заносить эти параметры в базу данных для быстрого использования по номеру артикула;
• скачивать результаты испытания УЗИП (протоколы) на USB-ho-ситель в формате .csv для последующего использования,хранения и сравнения.

Для использования испытательного генератора в ремонтно-технологическом участке РТУ потребуется дополнительная работа по уточнению некоторых параметров УЗИП у производителя или экспериментальное их уточнение (например, установление напряжения, при котором должен проверяться ток утечки варистора в режиме воздействия максимального допустимого напряжения). Но такая работа может быть проведена один раз при корректировке технологических карт. Однако это позволит в дальнейшем унифицировать как саму методику проверки УЗИП, так и приборный парк для таких проверок. Ведь в настоящее время для проверки, например, разрядников в одном случае используется универсальная пробойная установка, в другом - мегаомметр, в третьем - регулятор постоянного и переменного тока и напряжения и др.
На примере варисторов серии УЗП1-500, одном из наиболее распространенных в настоящее время типов варисторов, применяемых для защиты аппаратуры ЖАТ, рассмотрим, как выбираются параметры для тестирования. В случае варистора это: минимальное и максимальное значение классификационного напряжения UKn, максимальное допустимое рабочее напряжение Uc (при котором ток утечки не должен превышать 0,3 мА), напряжение защиты U .
Для УЗП1-500-0,13 классификационное напряжение согласно паспорту составляет не менее 200 В. Если принять стандартное отклонение классификационного напряжения варистора от номинального равным ±10 %, то границы классификационного напряжения будут 200-242 В. Выбор йсдля УЗП1-500-0,13 оказался сложнее, так как согласно паспорту наибольшее длительно допустимое напряжение переменного тока составляет 130 В (действующее зна
чение). Это соответствует 183 В (амплитудное значение), тогда как в технологических картах ток утечки проверяется при 100 В переменного тока (141 В амплитудное значение). Поэтому в качестве Uc было выбрано среднее значение -160 В (амплитудное значение). Значение Up было принято равным 1000 В, поскольку этого параметра в паспортных данных не было.
Проверка на семи образцах УЗП1 -500-0,13 показала, что среднее значение UKfl составило 226,6 В с максимальным отклонением не более 4 В. Для всех образцов при Uc = 160 В ток утечки не превышал 0,3 мА. Напряжение защиты Up, измеренное при подаче импульса 1,2/50 мкс, не превысило 400 В.
Аналогичным образом выбирались параметры для УЗП1 -500-0,26: икл = 410-500 В, Uc = 350 В, U < 1200 В. Проверка на восьми образцах УЗП 1 -500-0,26 показала, что среднее значение икл составило 437,9 В с максимальным отклонением не более 13 В. Для всех образцов при Uc = 350 В ток утечки не превышал 0,3 мА. Напряжение защиты Up, измеренное при подаче импульсаР 1,2/50 мкс, не превысило 600 В.

Также были определены параметры для УЗП1-500-0,4: U = 660-800 В, Uc = 530 В, Up < 1600 В. Проверка на восьми образцах УЗП 1-500-0,4 показала, что среднее значение UKJ1 составило 767 В с максимальным отклонением не более 34 В. При этом у одного из образцов UKn составило 800 В, что является предельным значением (такой УЗИП считается подлежащим замене). Для всех образцов при Uc = 530 В ток утечки не превышал 0,3 мА. Напряжение защиты Up, измеренное при подаче импульса 1,2/50 мкс, не превысило 900 В.
Таким образом, для варисторов серии УЗП 1-500 были подобраны параметры для испытаний с помощью ИГ. Большинство испытанных образцов показали соответствие выбранным параметрам.
Если с варисторами определение параметров не составило проблем, то с разрядником УЗП1 РУ-1000 практически все параметры, необходимые для тестирования, в паспорте отсутствовали. Не помогли и технологические карты, по которым для УЗП1 РУ-1000 проверяется только сопротивление изоляции.
Так, УЗП1 РУ-1000 согласно паспорту имеет пробивное напряжение на переменном токе не менее 700 В (действующее значение), т.е. не менее 1000 В амплитудного значения. Если принять стандартное отклонение статического напряжения пробоя разрядника от номинального ±20 %, то границы статического напряжения пробоя будут 1000-1400 В. При этом в паспорте на серию указано, что пробивное напряжение на переменном токе составляет 1400 В (действующее значение) или -2000 В амплитудного значения. В качестве Uc указано 400 В (действующее значение). По Up никаких данных в паспорте не обнаружено.

В результате испытаний было выяснено, что в серии из шести разрядников два показали значение статического напряжения пробоя UCT ниже 60 В, что говорит об их полной непригодности. Остальные четыре разрядника показали превышение UCT величины 2500 В, при этом указанные разрядники не пробились при воздействии импульса 1,2/50 мкс величиной 3 кВ. Такие результаты говорят как о низком качестве УЗП1 РУ-1000 (необходимо проверять каждый разрядник перед установкой и иметь n-кратный запас на отбраковку), так и о том, что их недопустимо использовать для защиты микропроцессорной аппаратуры ЖАТ, для которой максимальный уровень устойчивости к микро-секундным импульсным помехам составляет 2 кВ. Ситуация, когда защищаемое оборудование согласно ГОСТ 33436.4-1-2015 [2] имеет устойчивость к микросе-кундным импульсным помехам на уровне до 2 кВ, а уровень защиты УЗИП превышает 2,5 кВ (т.е. после УЗИП на оборудование может прийти импульс, превышающий уровень помехоустойчивости этого оборудования), очевидно, может привести к повреждению оборудования. Кроме этого, указанный УЗП1 РУ-1000 не может в полной мере тестироваться с помощью нашего ИГ, поскольку его напряжение защиты значительно превышает 2,5 кВ.
По результатам проведенных работ была составлена таблица параметров, которые можно использовать при тестировании УЗИП с помощью ИГ (см. таблицу). Некоторые из этих параметров могут быть скорректированы при участии производителя.
Для большинства рассмотренных комбинированных УЗИП проверка параметров варисторов, входящих в их состав, невозможна без вскрытия корпуса (что не допустимо в процессе эксплуатации). Однако особенность ИГ, а именно величина тока импульса 1,2/50 мкс (до 50 А) и возможность подключения осциллографа, делает эту задачу выполнимой, по крайней мере качественно.

На рис. 1 приведены осциллограммы импульса, выдаваемого ИГ на холостом ходу (а), и реакции на этот импульс комбинированного УЗИП - УЗС-5-ЗОО К (используемого для защиты объектного контроллера МПЦ по цепям светофора), состоящего из последовательно включенных разрядника и варистора (б). Очевидно, что осциллограмма соответствует классическому виду, приведенному в ГОСТ IEC 61643-12-2022 [3]. На осциллограмме присутствует характерная «полка» с плавным наклоном длительностью несколько десятков микросекунд, которая заканчивается небольшим возрастанием напряжения, и последующее падение напряжения после «закрытия» варистора. Такая форма напряжения свидетельствует о наличии работоспособного варистора. Уровень напряжения этой «полки» (-470-520 В в данном случае) должен превышать величину классификационного напряжения варистора (< 430 В в данном случае). Таким образом, ИГ позволяет дополнить методику проверки комбинированных УЗИП и с помощью осциллографа качественно определять работоспособность варистора, входящего в состав УЗИП.
Определение классификационного напряжения варисторов в составе комбинированных УЗИП для защиты МПЦ при входном контроле оказалось критически важным в процессе импортоза-мещения, так как дало обратную связь производителю о фактической согласованности параметров УЗИП с защищаемой аппаратурой. Это позволило скорректировать параметры новых УЗИП. Дело в том, что остаточное напряжение варистора при максимальном импульсном токе (для цепей светофоров, стрелок, рельсовых цепей величина испытательного тока составляет 2,5 кА при форме импульса 10/350 мкс согласно СТО РЖД 08.024-2015 [4]) должно быть таким, чтобы не привести к разрушению внутренних элементов защищаемых устройств. Осциллограмма, получаемая в результате воздействия такого импульса на комбинированный УЗИП (см. рис. 1, б), аналогична по виду, за исключением уровня «полки варистора», который, например, для УЗС-5-ЗОО К составляет 780-830 В, а длительность «полки» - несколько сотен микросекунд.
Однако испытания на помехоустойчивость к микросекундным импульсным помехам проводят по ГОСТ 33436.4-1 [2] с помощью импульсов с временными параметрами 1,2/50 мкс, а указанный импульс имеет значительно меньшую энергию, чем импульс 10/350 мкс с той же амплитудой. Поэтому на практике может оказаться, что защищаемая аппаратура выдерживает короткий импульс величиной 2 кВ и длительностью несколько десятков микросекунд, но выходит из строя при импульсе величиной ~1 кВ длительностью несколько сотен микросекунд.

Подбор параметров варисторов, удовлетворяющих указанному условию возможен только экспериментально во время испытаний импульсом 10/350 мкс согласно СТО РЖД 08.024-2015 [4]. Максимальное остаточное напряжение на варисторе (напряжение «полки») при максимальном импульсном токе (2,5 кА в данном случае) накладывает ограничение сверху на классификационное напряжение (поскольку эти величины связаны пропорционально, хотя и нелинейно). Так, экспериментально было установлено, что для некоторых устройств (платы светофоров систем МПЦ) максимальное значение классификационного напряжения не должно превышать 430 В, а для других (платы управления стрелкой системы МПЦ) максимальное значение классификационного напряжения не должно превышать 480 В.
Превышение этих значений у полностью работоспособного УЗИП может привести к выходу из строя защищаемой аппаратуры. Поэтому так важно проводить не только периодический, но и входной контроль параметров УЗИП.

Таким образом, в рамках работ по импортозамещению были не только полностью заменены все УЗИП, защищающие аппаратуру МПЦ, на УЗИП отечественного производителя, параметры которых согласованы с уровнем устойчивости защищаемой аппаратуры, но и создан испытательный гене
ратор, позволяющий проверять все типы варисторов, разрядников и комбинированных УЗИП, состоящих из последовательно включенных варисторов и разрядников, с напряжением защиты до 2,5 кВ, используемых в ОАО «РЖД».

Предложена единая унифицированная методика проверки УЗИП с помощью ИГ и подготовлены таблицы тестируемых параметров основных типов УЗИП, используемых для защиты аппаратуры ЖАТ.

СПИСОК источников

1. ГОСТ Р 8.568-2017. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Аттестация испытательного оборудования. Основные положения. Введ. 01.08.2018. Изм. 01.02.2019. М.: Стандартинформ, 2019. 15 с.
2. ГОСТ 33436.4-1-2015. Совместимость технических средствэлектро-магнитная. Системы и оборудование железнодорожного транспорта. Часть 4-1. Устройства и аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики. Требования и методы испытаний. Введ. 01.08.2016. Изм. 01.09.2019. М.: Стандартинформ, 2019. 19 с.
3. ГОСТ IEC 61643-12-2022. Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 12. Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и применения. Введ. 01.03.2023. М.: Российский институт стандартизации, 2022. 167 с.
4. СТО РЖД 08.024-2015.Устройства железнодорожной автоматики и телемеханики. Защита от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Требования к характеристикам испытательных импульсных воздействий. Введ. 10.12.2016. 45 с.