I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   39 ,   No .   2 A u g u s t   2 0 2 5 ,   p p .   80 7 ~ 82 0   I SS N:  2502 - 4 7 5 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijeecs.v 39 .i 2 . pp 80 7 - 82 0          807     J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ee cs.ia esco r e. co m   The desig n of an   elect ro nic  loa d f o r mitiga ting t ra nsient  o v ervo ltag e in  the  t ra ck c ircuits  of  ra ilwa y  sig na ling  sy stems       Uk rit   K o rn k a no k 1 ,   Sa ns a k   Dee o n 1 ,   Chutho ng   Su m m a t t a 2 ,   Sa k t a no ng   Wo ng cha ro en 3   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   P a t h u mw a n   I n st i t u t e   o f   Te c h n o l o g y ,   P a t h u m Wa n ,   T h a i l a n d   2 F a c u l t y   o f   I n d u s t r i a l   T e c h n o l o g y ,   N a k h o n   P h a n o m   U n i v e r si t y ,   N a k h o n   P h a n o m ,   Th a i l a n d   3 F a c u l t y   o f   I n d u s t r i a l   T e c h n o l o g y ,   U b o n   R a t c h a t h a n i   R a j a b h a t   U n i v e r si t y ,   U b o n   R a t c h a t h a n i ,   Th a i l a n d       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   13 2 0 2 4   R ev is ed   Mar   17 2 0 2 5   Acc ep ted   Mar   26 2 0 2 5       Th e   re se a rc h   p re se n ted   t h e   d e s ig n   o f   sa fe ty   e lec tro n ic  l o a d   su p p re ss io n   (S EL S f o m it ig a ti n g   tran sie n t   o v e rv o lt a g e   in   th e   trac k   c ircu it o ra il wa y   sig n a li n g   s y ste m wh il e   c h a n g in g   th e   trac k   o c c u p a n c y   in   th e   trac k   c ircu it o th e   si g n a li n g   sy ste m   t h a c a u se d   d a m a g e   to   th e   BR9 6 6 F 2   re lay .   T h e   a n a ly sis   o th e   a v e ra g e   fa il u re   o th e   e lec tro n ic  d e v ice s,  th e   fa il u re   m o d e a n d   e ffe c a n a ly sis  (F M EA),   a n d   t h e   p e rf o rm a n c e   tes o e lec tro n ic  d e v i c e we r e   c o n d u c ted .   a n d   t h e   p e rfo rm a n c e   tes o e lec tro n ic  d e v ice we re   c o n d u c ted .   wh ich   c a n   c o n tro th e   o p e ra ti o n   w it h   2 o o 3   p ro c e ss in g   m o d e   ( tw o   o u o t h re e   vot i n g )   u n d e t h e   se ries   c ircu it s   p a tt e rn   t o   re so lv e   th e   d a m a g e   c a u s e d   b y   th e   a p p li c a ti o n .   Re su lt il l u stra ted   t h a th e   m e a n   o p e ra ti n g   ti m e   o th e   S EL S   b e twe e n   fa il u re wa 9 , 3 9 9   h o u rs .   In   a d d it i o n ,   re g a r d in g   t h e   p e rfo r m a n c e   o th e   e lec tro n ic  lo a d   f o m it i g a ti n g   tran sie n o v e r v o lt a g e   o f   1   k V   a 3 1 . 4   a n d   o v e rv o lt a g e   5 0   VD a 1 7 8 . 6   °C  with in   8 3   se c o n d a 3 5 . 4   V.  Ad d it io n a ll y ,   th e   S EL S   c o u ld   f u n c ti o n   a d e q u a t e ly   with o u fa il u re   o c a u si n g   a n y   d a m a g e .   Th e re fo re ,   t h e   S EL S   wa s m o re   re li a b le.   K ey w o r d s :   Failu r m o d es a n d   ef f ec ts   an aly s is   R ailway   s ig n allin g   s y s tem   Saf ety   elec tr o n ic  lo ad   s u p p r ess io n     T r ac k   cir cu it   T r an s ien t o v er v o ltag e   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sak tan o n g   W o n g ch ar o en   Facu lty   o f   I n d u s tr ial  T ec h n o lo g y ,   Ub o n   R atch ath an i Rajab h a t U n iv er s ity   R atch ath an i Rd . ,   Mu ea n g   U b o n   R atch ath an i,  Ub o n   R atch ath an i,  T h ailan d   E m ail: sak tan o n g . w@ g m ail. c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   State - of - th e - ar tech n o lo g y   is   cr u cial  f o r   th co u n tr y ' s   d ev elo p m en as  it  s teer s   th ec o n o m y ,   p ar ticu lar ly   th elec tr icity   an d   elec tr o n ics  in d u s tr y ,   wh ich   p lay s   s ig n if ican r o le  in   co n ce iv in g   in n o v atio n s   th at  ar th k ey   co m p o n en ts   o f   o th er   p r o d u cts:   el ec tr ic  ap p lian ce s ,   co m m u n icatio n   d ev ices,  en er g y   m an ag em en s y s tem s ,   an d   s m ar v eh icles.  I n   th 4 . 0   er a,   th ese  tech n o lo g ies  h av b ee n   u p g r ad ed   to   b s m ar ter ,   co n n ec with   th in ter n et,   an d   m o r co m p ac to   f u lf ill  u s er   n ee d s .   Nev er th eless ,   u s in g   co m p lex   to o ls   an d   d ev ices  af f ec ts   th elec tr ical  s y s tem   in   ca s o f   elec tr ical  q u ality   is s u es,  s u ch   as  tr an s ien o v er v o ltag o r   elec tr ical  s y s tem   f au lts .   As  r esu lt,  elec tr o n ic  d ev ices  m ay   b d am ag ed   d esp ite  in s tallin g   p r ev en tiv to o ls .   Fo r   th is   r ea s o n ,   th elec tr ica q u ality   an aly s is   an d   im p r o v em en m u s co n s id er   th lo ca s tate  to   m itig ate  th ten tativ r is k   an d   d am ag e.   T h r ailway   s ig n alin g   s y s tem   is   cr u cial  elec tr o n ic  s y s tem   th at  en h an ce s   s p ee d   an d   s af ety   b y   m an ag in g   tr ain   m o v em en o n   d esig n ated   tr ac k s   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   I d is p lay s   tr ain   tr ac k   o cc u p an cy   s o   th at  th en g in d r iv er   f o r esees  th s tate  o f   th ah ea d   tr ac k   b ef o r d ec id in g   to   s to p ,   r ed u cin g   s p ee d ,   o r   ad ju s tin g   th d ir ec tio n   ap p r o p r iately   f o r   s af e,   q u ick ,   an d   ef f icien tr an s p o r [ 3 ] - [ 7 ] .   T h s cr ee n   d is p lay in g   th e   tr ain   tr ac k   o cc u p an cy   is   s h o wn   in   Fig u r 1 .     I n   th elec tr ic  s y s tem ,   th v o ltag wav ef o r m ,   elec tr ic  cu r r en t,  an d   f r e q u en c y   ca n   ch a n g f r o m   th n o r m al   s tate,   ac co r d in g   to   I E E E   Std . 1 1 5 9 ,   b ec a u s o f   n at u r al  p h e n o m e n a,   elec tr ical   f au l ts ,   th s witch in g   o f   d ev i ce s ,   th e   u s o f   n o n - lin ea r   d ev ices,   an d   in co r r ec g r o u n d in g   [ 8 ] - [ 1 1 ] .   All  ca u s es  le ad   to   is s u es  with   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  39 ,   No .   2 ,   Au g u s 20 25 80 7 - 82 0   808   elec tr ic  p o wer   q u ality   s y s tem s   th at  d am ag elec tr o n ic  d ev ices  an d   af f ec th e   r ailway   s ig n alin g   s y s tem .   T h er ef o r e,   th an aly s is   to   r eso lv th p r o b lem s   with   th elec tr ic  p o wer   q u ality   m u s co n s id er   th ac tu al  s tate.   g as  d is ch ar g tu b ( GDT ) ,   p r ev en tiv d e v ice,   is   u s ed   to   m itig ate  th im p ac o f   th tr an s ien o v er v o ltag e   p r o b lem   ca u s ed   b y   lig h tn in g   o r   th s witch in g   o f   th e   tr ac k   o cc u p a n cy   eq u ip m en in   t h r a ilway   s ig n alin g   s y s tem .   Ho wev er ,   s o m elec tr ic  an d   elec tr o n ic   d ev ices a r d am ag ed ,   as sh o wn   i n   Fig u r 2 .           Fig u r 1 .   Scr ee n   s h o win g   t h t r ain   tr ac k   o cc u p a n cy             Fig u r 2 .   T h b u r n in g   B R 9 6 6 F2   r elay   f r o m   th tr a n s ien t o v er v o ltag e       T r an s ien o v er v o ltag af f ec ts   th f u n ctio n   o f   th B R 9 6 6 F2   r elay .   Du r in g   th o p er atio n ,   th h ea ac cu m u lates  at  th r elay ' s   co il,  an d   th co il  in s u latio n   d eter io r ates.  C o n s eq u en tly ,   it  b u r n s   d u to   th tr an s ien o v er v o ltag wh ile  ch an g in g   to   th n o n - o cc u p an cy   s tatu s   [ 1 2 ] - [ 1 6 ] ,   as sh o wn   in   Fig u r 3 .     Fig u r 3   s h o ws  th tr an s ien o v er v o ltag s tate  wh ile  ch an g in g   th n o n - o cc u p an cy   s tatu s   in   th tr ac k   cir cu it.  W h en   th tr ain   d ep ar ts   f r o m   th tr ac k ,   th r ec eiv er   d is p lay s   th tr ac k   clea r .   T h er ef o r e,   th er is   th tr an s ien o v er v o ltag at  1 . 1 k an d   th wav a 1 3 6 /2 8 4 µS.   Sin ce   th tr an s ien o v er v o ltag is s u es  ar s till   u n s o lv ed ,   th elec tr ic  p o wer   q u ality   im p r o v em en an aly s is   m u s r ely   o n   th ac tu al  s tate.   T r an s ien o v er v o ltag ca u s in g   d am ag to   th B R 9 6 6 F2   r elay   in   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem   h am p er s   th tr a in   o p er atio n   co m m an d .   T h s tatis tics   o f   th ca u s es o f   r ailway   s ig n alin g   s y s tem   d is r u p tio n   f r o m   2 0 2 2   to   2 0 2 3   ar e   in   Fig u r 4 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       Th d esig n   o f a n   elec tr o n ic  lo a d   fo r   mitig a tin g   tr a n s ien t o ve r vo lta g in   th tr a ck     ( Ukrit  K o r n ka n o k )   809       Fig u r 3 .   T r an s ien t o v e r v o ltag wh ile  ch an g in g   to   n o n - o cc u p ied   s tatu s             Fig u r 4 .   Statis tics   o f   th ca u s es o f   r ailway   s ig n alin g   s y s tem   d is r u p tio n         T r ac k   o cc u p an cy   o r   lin ca p ac ity ,   wh ich   in clu d es th s to p   tim at  th s tatio n   to   allo th tr ain   o n   th o p p o s ite  tr ac k   to   p ass ,   an d   th b u f f er   tim f o r   th o p er atio n ,   th d elay   s ch ed u les,  ac co u n ts   f o r   4 0 o f   th o p er atio n   tim e.   T h ca lcu latio n   o f   th lin ca p ac ity   u s in g   th m eth o d   o f   th State  R ailway   o f   T h ailan d   as  sh o wn   in   th e   ( 1 )   [ 5 ] .     L in c ap ac ity   = + × 70%   ( 1 )     E lectr ical  q u ality   p er tain s   to   th tr ac k   cir cu its   im p ed in g   tr ain   o p er atio n   co m m an d s .   R esear ch   an d   d ata  co llectio n   o n   tr an s ien o v er v o ltag in   th tr ac k   cir cu its   o f   r ailway   s ig n alin g   s y s tem s ,   wh ich   ca u s es  d am ag to   th B R 9 6 6 F r elay ,   was  co n d u cted   [ 17] - [ 1 9 ] it d etec ts   th o v er v o ltag e,   th f r eq u en cy   to   tr an s ien o v er v o lt ag e,   an d   th r ed u ctio n   o f   tr an s ien t o v er v o ltag u s in g   th s af ety   tr an s ien t v o ltag s u p p r ess o r s   ( STVS) .   Ho wev er ,   it d o es n o t d em o n s tr ate  p er m an en t so lu tio n   o r   lo n g - ter m   p r ac tice.   T h is   s tu d y   p r o p o s ed   d esig n in g   an   elec tr o n ic  lo ad   to   r ed u ce   tr an s ien t o v er v o l tag in   th tr ac k   cir cu its   o f   r ailway   s ig n alin g   s y s tem s .   T h is   aim s   to   m itig ate  th d am ag to   elec tr ical  ap p lian ce s   an d   elec tr o n ics  co n n ec ted   to   th tr ac k   cir cu its   r esu ltin g   f r o m   th elec tr ical  q u ality   is s u to   m in im ize  th d am ag to   th B R 9 6 6 F2   r elay .   T h in s u late  g ate  b ip o lar   ju n ctio n   tr an s is to r   ( I GB T )   h as r ep lace d   th s u r g p r o tectio n   d ev ice.   T h tr an s ien v o ltag s u r g ( T VS)   was  th elec tr o n ic  lo ad   with   h ig h   watt  p o wer   to   r ed u ce   th tr an s ien o v er v o ltag u n d er   th s af ety   f ailu r m o d to   h an d le  th tr an s i en o v er v o ltag e.   wh ich   is   in   th s af ety   f ailu r   1 . 1 k V T T T   T = 2 8 4   m i c r o s e c o n d s   T = 1 3 6   m i c r o s e c o n d s   T r a n s i e n t   V o l t a g e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  39 ,   No .   2 ,   Au g u s 20 25 80 7 - 82 0   810   m o d f o r   m ain tain in g   s tab ilit y   an d   m o r s y s tem   r eliab ilit y   with   th e   f ailu r m o d es  an d   ef f ec an aly s is   ( FME A) ,   th s af ety   in teg r ity   lev el  ( SIL )   o f   m o n ito r in g   an d   co m m an d   v ia  th o p er atio n   co n d itio n s   u s in g   th in ter lo ck in g   m eth o d   o f   th s ig n alin g   s y s tem   is   im p r o v in g ,   wh ich   co r r esp o n d s   with   th I E C   1 6 5 0 8 - 4   s tan d ar d   o f   th State  R ailway   o f   T h ailan d .       2.   PR INC IPL E  O F T H E  T R A C K  C IRC U IT F U N C T IO N   T h tr ac k   cir cu it  ex h ib its   th tr ac k   o cc u p an cy   at  th tim e.   T h f u n ctio n   o f   th elec tr ic  cir cu it  is   s ep ar ated   with   in s u latio n .   On s id o f   th tr ac k   is   p o wer   s u p p ly ,   an d   th o th er   is   th s ig n al  r ec eiv er   with   th B R 9 6 6 F2   r elay .   T h tr ac k   cir cu it  s h o ws  tr ac k   o cc u p an cy .   Vo ltag ab n o r m ality   an d   s ig n al  d etec tio n   ar s en to   th B R 9 6 6 F2   r elay   o f   th tr ac k   cir cu it  to   d etec th tr ac k   cir cu it  o cc u p an cy   [ 2 0 ] - [ 2 6 ] .   I n   th n o r m al  o p er atio n al  s tate,   th p o wer   s u p p ly   d is tr ib u tes  d ir ec cu r r en p o wer   ( DC   tr ac k   cir cu it )   to   th in d u cto r   tr ac k ,   with   v o ltag o f   1 5 . 6 Vp ,   to   tr an s m it  th s ig n al  th r o u g h   th tr ac k   to   th r ec eiv er .   I f   th r ec eiv er   r ec eiv es  s ig n al,   it  in d icate s   th tr ac k   is   clea r .   I f   tr ain   co m es  in   b etwe en   th tr an s m itter   an d   r ec eiv er ,   th ax le  an d   wh ee ar ir o n   in d u cto r s ,   s o   th elec tr ic  s y s tem   ca n n o co n n ec t,  o r   s h o r cu r r en o cc u r s .   As  r esu lt,  th v o ltag o n   th tr ac k   d ec r ea s es  an d   ca n n o b tr an s m itted   to   th r ec eiv er   s in ce   th cu r r en at  th ax le  an d   th wh ee f lo ws  b ac k   to   th p o wer   s u p p ly .   I in d icate s   th tr ac k   is   o cc u p ied   in   th is   b lo ck ,   o r   th er is   th o cc u p an cy   o f   th tr ac k   cir cu it,  as sh o wn   in   Fig u r 5 .             Fig u r 5 .   Fu n d am en tal  p r in cip le  o f   th tr ac k   cir cu it          T h tr ac k   cir cu it' s   f u n d am en tal  p r in cip le  in d icate s   th at  th r esis tan ce   v alu s ig n if ican tly   im p ac ts   its   f u n ctio n   with in   th s ig n alin g   s y s tem .   T h b allast  r esis tan ce   is   ad ju s ted   to   en s u r th ap p r o p r iate  cu r r en f o r   th q u ality   o f   th B R 9 6 6 F2   r elay .   T h b al last   r esis tan ce   cir cu it is   s h o wn   in   Fig u r 6 .           Fig u r 6 .   B allast r esis tan ce   cir cu it       T h ca lcu latio n   to   d eter m in th b allast r esis tan ce   ( R B ):     =   ( 2 )     B l oc k C u r r e n t   f l o w I ns ul a t e R a i l   j oi nt s S o u r c e   o f   c u r r e n t R e l a B R 966F 2 A xl e C o m NC NO T r a i a xl e   s hor t   c i r c ui t i ng  t he   t r a c c i r c ui t V a r a b l e   F e e d   R e s i s t or R B R Y L Z   B l o c k A x l e T r a i n   a x l e   s h o r t   c i r c u i t i n g   t h e   t r a c k   c i r c u i t V F V R I B R B I F I R Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       Th d esig n   o f a n   elec tr o n ic  lo a d   fo r   mitig a tin g   tr a n s ien t o ve r vo lta g in   th tr a ck     ( Ukrit  K o r n ka n o k )   811   w h er e :     = 1 2 (  + )   ( 3 )     wh ich   m ak es th R B   to ,     = 1 2 ( + )   ( 4 )     w h er e :      =     ( 5 )     a nd ,     =     ( 6 )     T h ap p r o p r iaten ess   o f   th tr a ck   cir cu it' s   ac cu r ate  o p er atio n   ca n   b d eter m in ed .   I f   it d o es n o t f o llo th co n d itio n s ,   th d is tan ce   o f   th tr ac k   cir cu it is   ad ju s tab le  t o   g ain   th e   ap p r o p r iate  b allast r esis tan ce   f o r   th co r r ec t o p er atio n   o f   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem .       3.   P RINCI P L E   O F   D E SI G N I NG   T H E   T R ANS I E N T   O V E RVO L T AG E   P RO T E CT I O SYST E M   3 . 1 .     Rela t io ns hip   bet wee n t he  s urg pro t ec t io n dev ices    T h cu r r en s u r g p r o tectio n   d ev ice   ( SP D)   u s ed   in   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem   p r o tects  th o v er v o ltag f r o m   lig h tn in g   im p u ls o r   s u r g v o ltag (V S )   to   elim in ate  th en er g y   f r o m   th lig h tn in g   g ettin g   th r o u g h   th tr ac k   cir cu it u s in g   th GDT .   Su r g v o ltag (V S )   g ets th r o u g h   th im p ed an ce   o f   th r ail  ( Z R ) ,   an d   v o ltag d r o p   o cc u r s   ( Vcl_ GDT ) .   Ho wev er ,   ac co r d in g   to   I E E E   Std   6 2 . 4 1 ,   as  s h o wn   in   Fig u r 7 ,   i d o es  n o ca u s an y   d am ag [ 2 7 ] - [ 2 9 ] as sh o wn   in   Fig u r 7 .             Fig u r 7 .   R elatio n s h ip   b etwe e n   th SPD         E v en   th o u g h   th r elatio n s h ip   o f   th SP with   th GDT   is   ar r an g ed ,   th s u r g v o ltag ( V S )   in   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem   an d   th v o ltag d r o p   ( V cl_G DT )   ar s till   at  h ig h   r ate.   Fu r th er ,   th er is   th tr an s ien o v er v o ltag wh ile  ch an g in g   th tr ac k   clea r   s tatu s   d u to   th s ig n alin g   s y s tem   m alf u n ctio n .   T h er ef o r e,   in s tallin g   o n s et  o f   GDT   s u r g p r o tectio n   d ev ices  ca n n o ef f ec tiv ely   p r ev en p o s s ib le  d am ag to   th B R 9 6 6 F2   r elay   if   th o v er v o ltag r em ain s   o r   is   lo wer   th an   th o p er atio n al  lev el.   T h ap p licatio n   o f   tr an s ien v o ltag s u p p r ess io n   d io d ( T VS) ,   th q u ick - r esp o n s eq u ip m en t to   m itig ate  th tr an s ien t o v er v o ltag e,   en ab les   t h e   c l a m p i n g   v o l t a g e   ( V C L_TVS )   t o   p r e v e n t   t h e   v o l t a g e   f r o m   b e i n g   o v e r   t h e   T V S   s t a n d a r d ,   a s   s h o w n   i n   t h e   ( 7 ) - ( 9 ) :         T r a n s i e n t   c u r r e n t T V S P r o t e c t e d e q u i p m e n t V S G T r a n s i e n t   V o l t a g e T r a n s i e n t   c u r r e n t V C L_ TV S GDT V C L _ G D T Z R C l a m p i n g   V o l t a g e < 13 0 0 V ( a t   1 k V / µ s) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  39 ,   No .   2 ,   Au g u s 20 25 80 7 - 82 0   812    _   ( 7 )     C alcu latio n   o f   m ax im u m   p u ls cu r r en t ( I TVSD ):     = +    ( 8 )     C alcu latio n   o f   clam p in g   v o ltag ( V CL_TVS ):      _ = +    ( 9 )     T h r elatio n s h ip   o f   th s u r g p r ev en tio n   d ev ice  en ab les  th clam p in g   v o ltag in   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem   as th e   ( 1 0 ) :      _  <  _   ( 10)     Alth o u g h   u s in g   T VS  r esp o n d s   to   th tr an s ien o v er v o ltag q u ick ly ,   an d   th clam p in g   v o ltag (V CL_TVS )   is   at  th ac ce p tab le  lev el  th at  will  n o d am ag th B R 9 6 6 F2   r elay ,   its   d u r ab ilit y   is   v er y   lo w.   T h o p er atio n   o f   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem   m ay   m alf u n ctio n   if   th d ev ice  is   im p air ed   an d   f in ally   lead s   to   o p er atio n   d is r u p tio n .     3 . 2 .     Desig nin g   t he  dev ice  t o   m it ig a t t he  t ra ns ient   o v er v o lt a g us ing   t he  elec t ro nic lo a   T h d ev ice' s   d esig n   m itig ates  tr an s ien o v er v o ltag b y   u s in g   th elec tr o n ic  lo ad ,   th elec tr o n ic  s witch   p u llin g   th cu r r en to   th g r o u n d ,   an d   ad o p ti n g   th I GB T   an d   T VS  to   r ed u ce   th o v er v o ltag e.   C o n s eq u en tly ,   th n ew  d ev ice,   th tr an s ien v o ltag s u p p r ess io n   I GB T   d ev ice  ( T VS IG BT )   was  in v en ted   to   f ac ilit ate  th I GB T s   f u n ctio n   as  th elec tr o n ic  lo ad   to   m itig ate  th tr an s ien o v er v o ltag [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] ,   as  s h o wn   in   Fig u r 8 .             Fig u r 8 .   Diag r a m   b lo c k   o f   all  tr an s ien t o v er v o ltag d e v ices w ith   th elec tr o n ic  lo a d         3 . 3 .     Desig nin g   s a f et y   elec t ro nic lo a d su pp re s s io ( SE L S)   T h d esig n   o f   SEL S   is   to   m itig ate  th tr an s ien o v er v o ltag f r o m   th ch an g o f   tr ac k   clea r   s tatu s   af ter   th f ailu r o f   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem .   T h SEL is   s er ies  cir cu it  with   th 2 o o 3   p r o ce s s in g   m o d ( T wo   o u t o f   T h r ee   Vo tin g )   [ 3 0 ] ,   [ 3 1 ] ,   as sh o wn   in   Fig u r 9 .   T h d e s ig n   o f   SEL co n s is ts   o f   T VS 1 ,   T VS 2 ,   an d   T VS 3 ,   wh ich   d etec t th tr an s ien t v o ltag to   co n tr o th elec tr o n ic  lo ad   d ev ice.   I GB T 1 ,   I GB T 2 ,   I GB T 3 ,   an d   I GB T 4   wo r k   as  th elec tr o n ic  lo ad   to   co n tr o th v o ltag an d   d ir ec th cu r r en to   f lo to   th g r o u n d in g its   f u n ctio n   is   s im ilar   to   th q u ality   o f   th T VS  to   r ed u ce   th tr an s ien t o v er v o ltag e.       T r a n s i e n t   c u r r e n t C l a m p i n g   V o l t a g e P r o t e c t e d e q u i p m e n t G T r a n s i e n t   V o l t a g e T r a n s i e n t   c u r r e n t S E L S GDT GDT V S Z R V C L_ S EL S Z S E L S < 13 0 0 V ( a t   1 k V / µ s) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       Th d esig n   o f a n   elec tr o n ic  lo a d   fo r   mitig a tin g   tr a n s ien t o ve r vo lta g in   th tr a ck     ( Ukrit  K o r n ka n o k )   813       Fig u r 9 .   Saf ety   elec tr o n ic   lo a d   s u p p r ess io n   cir c u it       T h d esig n   o f   SEL S   is   to   o u tlin th cir cu it  to   in clu d th f ail - s af to   p r ev en h ar m f u f ailu r b y   th v o ter   lo g ic  b lo ck   2 o o 3   o r   th f ail  d etec tio n   2   o u t o f   3 .   R eg ar d in g   th d etec tio n   m o d o f   th T VS in   th SEL S,  th v o ltag is   r elea s ed   th r o u g h   th T VS   ( L et  T h r o u g h   Vo ltag e:   V lt_TVS )   to   d r o p   at  th r esis to r   ( R ) it  is   th tr ig g er   v o ltag o f   I GB T   ( Vg )   to   d ir ec th cu r r en f lo o f   th I GB T .   T h d esig n   o f   th SEL with   th v o ter   lo g ic  b lo ck   2 o o 3   co m p r is es AN D   lo g ics  an d   OR   lo g i cs,  as  sh o wn   in   th e   ( 1 1 ) :     _  = (  1 ×  2 ) + (  2 ×  3 ) + (  1 ×  3 ) + (  1 ×  2 ×  3 )   ( 11)     T h cr itical  co m p o n en o f   th p o s s ib ilit y   f o r   er r o r   an d   cir cu it  f ailu r is   th n u m b er   o f   d ev ices  in   th cir cu it.  Fewer   d ev ices  will  r ed u ce   er r o r s   an d   f ailu r es  ef f icien tly .   Fo r   th i s   r ea s o n ,   th f u n ctio n   o f   SEL with   th two   s ets  o f   STVS  co n n ec ted   in   th s er ies  cir cu it  wo u ld   m ax im ize  th SEL S’s  r esis tan ce   to   th tr an s ien o v er v o ltag an d   ex p an d   th tr an s ien cu r r en v ia  th SEL in   d if f er en f u n ctio n s   o f   all  m o d o p er atio n   f o r   m o r r eliab ilit y .   Ad d itio n ally ,   it  wo u ld   allo th leak ag cu r r en to   f lo to   th g r o u n d   ( L C ) .   T h cu r r en f lo d ir ec tio n   is   as sh o wn   in   th ( 1 2 ) .      = ( 1 × 2 ) + ( 3 × 4 ) + ( 1 × 4 × 1 ) + ( 1 × 2 ×                                                                                   3 × 4 × 1 )   ( 12)     T h co n d itio n   o f   th 2 o o 3   f ailu r ch ec k   is   to   d etec two   o u o f   th r ee   f ailu r es  s o   th cu r r en f lo ws  th r o u g h   th I GB T   an d   th clam p in g   v o ltag at  th SEL o f   th d esig n ed   d ev ice.   I n   Fig u r 9 ,   th tr an s ien o v er v o ltag es  f o r   ea ch   SEL cir cu it  ar d etailed .   T h f ir s SEL cir cu it  in clu d es  I GB T 1   an d   I GB T 2 th s ec o n d   co n s is ts   o f   I GB T 3   an d   I GB T 4 .   T h th ir d   cir cu it  f ea tu r es  I GB T 1 ,   I GB T 4 ,   an d   D1 ,   wh ile  th f o u r th   cir cu it  in co r p o r ates  I GB T 1 ,   I GB T 2 ,   I GB T 3 ,   I GB T 4 ,   an d   D1 .   T h ch ar ac ter is tics   o f   th tr an s ien o v er v o ltag d r o p   at  th f ir s t SE L S c ir cu it o f   I GB T 1   an d   I GB T 2   ar s h o wn   in   Fig u r 1 0 .   B esid es,  th ca lcu latio n   o f   th av er ag f ailu r o f   th elec tr o n ic  d ev ice  is   th r eliab ilit y   p r ed ictio n   o f   th elec tr o n ic  d ev ice  co m p o n en ts .   T h d ev ice' s   to tal  f ailu r r ate  ca n   b ca lcu lated   u s in g   ( 1 3 )     _  = _    / 1 0 6      (1 3)     t h SEL S to tal  f ailu r is      _ 2  3 =  + + + _    / 1 0 6      ( 14)     t h av er ag tim o f   th SEL S f ailu r is      = 1  _ 2  3 _   / 1 0 6      ( 15)     R 1 I G B T 2 T V S 1 I G B T 1 R 2 T V S 3 R 3 V c c T V S 2 I G B T 3 I G B T 4 D 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  39 ,   No .   2 ,   Au g u s 20 25 80 7 - 82 0   814       Fig u r 1 0 .   C h ar ac ter is tic  o f   th tr an s ien t o v er v o ltag d r o p s   a t th SEL S o f   th f ir s t set       4.   P E RF O RM A NCE  T E ST   R E SU L T   O F   T H E   E L E C T R O NIC L O AD  D E VI CE     T h SEL p er f o r m an ce   test   co m p r is es  th r ee   p a r ts r eliab ilit y   p r e d ictio n   f o r   elec tr o n ic  co m p o n e n ts ,   FME A   [ 3 2 ] - [ 3 4 ] ,   an d   t h o v e r v o ltag wav p er f o r m an ce   test .   T h tr an s ien o v er v o ltag is   1 k V,   an d   th w av is   1 3 6 /2 8 4 µS,   as sh o wn   in   Fig u r 3 .   T h test   to   d eter m i n th SEL S's   v o ltag d r o p   is   ex h ib ited   in   Fig u r 1 1 .             Fig u r 1 1 .   SEL S p er f o r m an ce   test       4 . 1 .     Relia bil it y   predict io n f o elec t ro nic c o m po nents    I is   th cr u cial  co m p o n en o f   th eq u ip m en s elec tio n   p r o ce s s   an d   th m ea n   o p er atin g   tim b etwe en   f ailu r es   ( MT B F),   as sh o wn   in   T ab le  1 .       T ab le   1 .   Failu r es o f   th elec tr o n ic  eq u ip m e n t   N o .   N o t a t i o n   C o m p o n e n t s   F a i l u r e   r a t e   ( 1 0 6 h)   1     D i o d e     0 . 9 7 2 8   2     TV S   0 . 2 5 6   3     I G B T   2 6 . 1   4     R e si st o r   0 . 0 8 1     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       Th d esig n   o f a n   elec tr o n ic  lo a d   fo r   mitig a tin g   tr a n s ien t o ve r vo lta g in   th tr a ck     ( Ukrit  K o r n ka n o k )   815   T ab le  1   illu s tr ates  th r eliab ilit y   p r ed ictio n   f o r   elec tr o n ic  co m p o n en ts   o r   th f ailu r o f   th SEL S.  T h f ailu r r ate  o f   th SEL S is   f r o m   th eq u atio n :      _ 2  3 = 106 . 3838 _   / 1 0 6      ( 16)     T h ca lcu latio n   to   f in d   th m ea n   tim b ef o r f ailu r es is   f r o m   th eq u atio n :      = 9 , 399      ( 17)     T h m ea n   tim b ef o r f ailu r o b tain ed   f r o m   th r eliab ilit y   p r ed ictio n   o r   th SEL S f ailu r is   9 , 3 9 9   h o u r s .       4 . 2 .     F a ilu re   m o des   a nd   ef f ec t s   a na ly s is     T h FME A   is   co n d u cted   with   th SEL as  th to o to   in d icate   th s af ety   f ail  an aly s is   to   d eter m in d am ag p r ev en tio n .   I n   ac co r d an ce   with   th I E E E   C 6 2 . 4 1 . 1 :2 0 0 2   s tan d ar d   [ 1 1 ] ,   th er ar th r ee   f u n d am en tal  an aly s is   p r in cip l es  o f   th f ailu r m o d e:  Sh o r t,  Op en ,   an d   Deg r ad ed   ( o u ts id o f   th s p ec if icatio n   lim its ) .   T h an aly s is   r esu lt  wo u ld   en s u r th in v en ted   cir cu it  will  f u n ctio n   in   f ail - s af m o d e,   as  s h o wn   in   T ab le  2 .   T h FME o f   th SEL in   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem   an aly z es  th f ailu r es  an d   ef f ec ts   th at  ten tativ ely   o cc u r   with   an y   p ar ts   o f   th cir cu it,  s u ch   as  s h o r cir cu its   an d   b u r n in g .   T h ese  is s u es  ca u s th cir cu it  to   m alf u n ctio n .   T h s o lu tio n   to   th p r o b lem s   wo u ld   ac co m m o d ate  th av ai lab ilit y   an d   s ec u r u s ab ilit y .       T ab le  2 .   Failu r m o d es a n d   ef f ec ts   an aly s is   r esu lts   D e v i c e s   F a i l u r e   mo d e   Ef f e c t   o f   t h e   S E LS   Ef f e c t   o f   f a i l u r e   P o t e n t i a l   e f f e c t s   TV S 1   O p e n   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     S h o r t   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     TV S 2   O p e n   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     S h o r t   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     TV S 3   O p e n   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     S h o r t   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     R 2   O p e n   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     S h o r t   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     R 2 * 2   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     R 2 * 0 . 5   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     I G B T 1   O p e n   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     S h o r t   c i r c u i t   O u t p u t   V d c   p r e s e n t   b     N o t e   ( ( * 0 . 5 ) ,   ( * 2 ) ,   S h o r t   a n d   O p e n   r e f e r   t o   t h e   st a n d a r d   v a l u e o f   I EC   6 1 4 9 6 - 1 :   ( a ) :   O u t p u t   i s   r e d u c e d   t o   0 ,     ( b ) :   N o r mal   o u t p u t ,   ( c ) :   A b n o r mal   o u t p u t     n o   s i g n i f i c a n t   c o n se q u e n c e s▲   a b n o r ma l   c o n d i t i o n       4 . 3 .    E lect ro nic lo a d per f o rm a nce  t est    4 . 3 . 1 .   P er f o rm a nce  t est  wit h t he  1   k t ra ns ient   o v er v o lt a g wa v   T h SEL p er f o r m an ce   test   m o d el  u s es  th tr an s ien o v er v o ltag wav at  1   k V.   an d   th wav ef o r m   s lo p at  1 3 6 /2 8 4 µS  in v o lv es  s ev er al  d im en s io n s   o f   f u n ctio n   a n d   s af d u r ab ilit y   [ 3 5 ] - [3 7] .   T h v o ltag d r o p   test   r esu lts   ( V CL_SELS )   ar s h o wn   in   Fig u r 1 2 .             Fig u r 1 2 .   T est r esu lt o f   clam p in g   v o ltag o n   th elec tr o n ic  lo ad   ( V CL_SELS )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  39 ,   No .   2 ,   Au g u s 20 25 80 7 - 82 0   816   I n s tallin g   th elec tr o n ic  lo ad   to   m itig ate  th tr an s ien o v er v o ltag in   th r ailway   s ig n alin g   s y s tem ' s   tr ac k   cir cu it  r ed u ce s   th tr an s ien v o ltag b y   elim in atin g   th tr an s ien cu r r en p o wer   v ia  th SEL to   th g r o u n d in g   s y s tem .   C o n s eq u en tly ,   th clam p in g   v o ltag o n   th SEL co n tr o ls   th tr an s ien o v er v o ltag th a f lo ws  in to   th tr ac k   cir cu it  to   av o id   d am ag to   th B R 9 6 6 F2   r elay .   On ly   th clam p in g   v o ltag with   th cr ested   wav r em ain s   an d   will lo s e   3 1 . 4 V,   as sh o wn   in   Fig u r 1 3 .           Fig u r 1 3 .   Qu ality   o f   clam p in g   v o ltag o n   th e   elec tr o n ic  lo a d       4 . 3 . 2 .   P er f o rm a nce  t est  wit h t he  o v er v o lt a g a t   50 V DC     T h elec tr o n ic  lo ad   p er f o r m an ce   test   f o r   m itig atin g   th o v er v o ltag is   co n d u cted   to   test   th d u r ab ilit y   o f   th SEL wh en   th o v er v o ltag at  5 0   V DC   is   s u p p lied   to   th tr ac k   cir cu it  [ 3 8 ] - [ 4 4 ] .   Fin d in g s   s h o cu r r en f lo ws  th r o u g h   th SEL with in   8 3   s ec o n d s .   As  r esu lt,  th tem p er atu r o f   th SEL in cr ea s es  to   1 7 8 . 6   °C ,   wh ich   is   th s am r esis tan ce   q u ality   as  th I GB T .   I n   ad d itio n ,   th SEL ca n   wo r k   co m m o n ly   with o u t a n y   f ailu r es o r   d am ag es to   th en tire   cir cu it.  T h er ef o r e,   th cir cu it g ain s   m o r r eliab ilit y .   T h th er m al  o f   th elec tr o n ic  lo ad   f o r   m itig atin g   th o v er v o ltag at  5 0   V DC   is   s h o wn   in   Fig u r 1 4 .   Fig u r e   1 5 d em o n s tr ates  th q u ality   o f   th clam p in g   v o ltag o n   th elec tr o n ic  lo ad   at  3 5 . 4   to   m itig ate  th o v er v o ltag at  5 0   V DC .   I s h o ws  th at  th elec tr o n ic  lo ad ' s   p er f o r m an ce   m itig ates  th tr an s ien o v er v o ltag at  1   k with   th wav s lo p 1 3 6 /2 8 4   µS  an d   th o v er v o ltag at  5 0   V DC   with o u co m p r o m is in g   th SEL S' s   f u n ctio n .           Fig u r 1 4 .   T h er m al  o f   th e   elec tr o n ic  lo ad   f o r   m itig atin g   th o v er v o ltag at  50   V DC     I S EL S V g _ I G B T2 V g _ I G B T 1 V C L_ S EL S Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.