DE1182337B

DE1182337B - Electrical overvoltage protection device

Info

Publication number: DE1182337B
Application number: DEST20233A
Authority: DE
Inventors: Hubert Mansfeld; Dipl-Ing Hermann Straeb
Original assignee: HERMANN STRAEB DIPL ING
Current assignee: HERMANN STRAEB DIPL ING
Priority date: 1963-01-29
Filing date: 1963-01-29
Publication date: 1964-11-26

Description

Elektrische überspannungsschutzvorrichtung Um elektrische Geräte und Einrichtungen, allgemein Verbraucher genannt, zu schützen, verwendet man Bekannterweise Funkenstrecken bzw. Spannungsableiter, die parallel zum Verbraucher geschaltet werden. Die Wirksamkeit eines solchen Schutzes hängt von zwei Voraussetzungen ab: 1. muß der Spannungsableiter die in der Überspannungsspitze liegende elektrische Energie vernichten können, 2. muß der Ansprechwert des Spannungsableiters so eingestellt werden, daß er zwischen der Betriebsspannung des Verbrauchers als unterer Grenze und der Zerstörungsspannung des Verbrauchers als oberer Grenze liegt.Electrical surge protector To electrical equipment and It is known to use equipment to protect, commonly called consumers Spark gaps or voltage arresters that are connected in parallel to the consumer. The effectiveness of such protection depends on two requirements: 1. Must the surge arrester the electrical energy contained in the surge voltage peak can destroy, 2. the response value of the voltage arrester must be set in this way that it is between the operating voltage of the consumer as the lower limit and the destruction voltage of the consumer is the upper limit.

Diese beiden Bedingungen schränken die Brauchbarkeit einer Funkenstrecke bzw. eines Spannungsableiters als überspannungsschutzvorrichtung erheblich ein. Die erstgenannte Bedingung setzt voraus, daß der Energieinhalt der überspannungsspitze überhaupt bestimmbar ist. In vielen praktischen Anwendungsfällen ist dies aber gar nicht möglich, und es besteht dann trotz Spannungsschutz die Gefahr, daß im Falle der unzureichenden Energieaufnahme desselben die Spannung am Verbraucher unzulässig hoch ansteigt.These two conditions limit the usefulness of a spark gap or a voltage arrester as an overvoltage protection device. The first condition assumes that the energy content of the overvoltage peak can be determined at all. In many practical applications, however, this is even the case not possible, and there is then, despite voltage protection, the risk that in the event the insufficient energy consumption of the same, the voltage at the consumer is impermissible rises high.

Aber auch die Einhaltung der zweiten Bedingung ist in der Praxis sehr schwierig. Da die Ansprechwerte bei den bisher bekannten Funkenstrecken in weiten Grenzen schwanken, muß der Mittelwert des Ansprechwertes so hoch gewählt werden, daß auch der niedrigste Streuwert noch über der Betriebsspannung des Verbrauchers liegt. Andererseits muß die Zerstörungsspannung des Verbrauchers so gewählt werden, daß die oberen Streuwerte des Spannungsschutzes noch nicht zu einer Schädigung des Verbrauchers führen können. Der Verbraucher muß also trotz Anwendung eines Spannungsschutzes überdimensioniert werden. Es ist zwar bekannt, daß Überspannungsableiter mit Flächenelektroden, von denen mindestens eine als ausbrennfähiger Belag auf einem Isolierstoffträger aufmetallisiert ist (wie in der deutschen Patentschrift 938 078 beschrieben), derart ausgebildet werden können, daß ihr Ansprechwert nur in vergleichsweise engen Grenzen schwankt. Jedoch bleibt auch bei der Verwendung eines solchen Ableiters als überspannungsschutz die Notwendigkeit, den Energieinhalt der zu vernichtenden Überspannungsspitze zu kennen, bestehen, da auch hier die Gefahr droht, das im Falle der unzureichenden Energieaufnahme die Spannung am Verbraucher unzulässig hoch ansteigt, falls nicht von vornherein eine kostspielige Überdimensionierung des überspannungsableiters vorgesehen wird.But compliance with the second condition is also very important in practice difficult. Since the response values in the previously known spark gaps are wide Limits fluctuate, the mean value of the response value must be selected so high that that even the lowest scatter value is above the operating voltage of the consumer lies. On the other hand, the destructive voltage of the consumer must be chosen so that the upper scatter values of the voltage protection do not cause damage to the Consumer can lead. The consumer must therefore despite the use of voltage protection be oversized. It is known that surge arresters with surface electrodes, at least one of which as a burn-out covering on an insulating material carrier is metallized (as described in German Patent 938 078), such can be designed that their response value only within comparatively narrow limits fluctuates. However, even if such an arrester is used as overvoltage protection the need to increase the energy content of the overvoltage peak to be destroyed know exist, because here too there is a risk that in the case of insufficient Energy consumption the voltage at the consumer rises inadmissibly high, if not an expensive oversizing of the surge arrester from the outset is provided.

Bekannt ist auch eine Anordnung zur Begrenzung oder Verminderung des Stromes in einem Leitungsnetz durch Zünden einer Funkenstrecke in einem Nebenschlußkreis, wobei nicht der Spannungsanstieg am Verbraucher, sondern der Stromanstieg im Leitungsnetz das Ansprechen der Funkenstrecke auslöst. Während sich die vorliegende Erfindung zum Ziel gesetzt hat, die Gefährdung eines Verbrauchers durch Überspannung zu vermeiden, handelt es sich hier darum, die schädlichen Folgen eines Netzkurzschlusses zu verhindern. Abgesehen davon haften dieser Lösung die oben geschilderten Nachteile der Verwendung üblicher Funkenstrecken an.Also known is an arrangement for limiting or reducing the Current in a line network by igniting a spark gap in a shunt circuit, whereby it is not the increase in voltage at the consumer, but the increase in current in the line network the spark gap triggers. While the present invention has set the goal of avoiding the endangerment of a consumer by overvoltage, it is a matter of preventing the harmful consequences of a network short circuit. Apart from that, this solution has the disadvantages of use outlined above usual spark gaps.

Es ist weiterhin bekannt, eine in Reihe mit dem Verbraucher geschaltete übliche Schnellsicherung als Schutzvorrichtung gegen Überspannung zu verwenden, wobei parallel zum Schutzobjekt ein Widerstandselement mit geknickter Spannungskennlinie geschaltet ist, um durch den bei Überspannung entstehenden Stromanstieg die Sicherung zum Ansprechen zu bringen (deutsche Patentschrift 1050 912). Schon bei der äußerlichen Betrachtung der Schaltungen der deutschen Auslegeschrift 1050 912 stellt man fest, daß für den beabsichtigten Schutz eine große Zahl von Elementen erforderlich ist, während in der vorliegenden Erfindung nur zwei Elemente zur Anwendung kommen. Schon darin ist ein wesentlicher Fortschritt der"Technik zu erkennen. 'Ferner hat trotz des durch, das Widerstandselement hervorgerufenen starken Stromanstieges eine überspannung eine zusätzliche Belastung des Verbrauchers und damit eine Gefährdung desselben zur Folge. Weiterhin ist bei der Anordnung der dauernde Stromverbrauch des parallel geschalteten Widerstandselementes von Nachteil. Ganz abgesehen davon können sehr rasche Spannungsspitzen, die dem allgemeinen Spannungs- bzw. Stromanstieg, der schließlich die Schmelzsicherung ansprechen läßt, überlagert sein und den Verbraucher gefährden, bevor die Schmelzsicherung wegen des angestiegenen Stromes abschaltet.It is also known to be connected in series with the consumer to use the usual quick fuse as a protective device against overvoltage, with a resistance element with a kinked voltage characteristic parallel to the protected object is switched to the fuse due to the rise in current caused by overvoltage to respond (German patent specification 1050 912). Even with the external one Consideration of the circuits of the German Auslegeschrift 1050 912 one finds that a large number of elements are required for the intended protection, while only two elements are used in the present invention. Nice in it a substantial advance of the "technology can be recognized." Furthermore, despite the strong current rise caused by the resistance element is an overvoltage an additional burden on the consumer and thus a risk to the consumer result. Furthermore, the continuous power consumption of the is parallel in the arrangement switched resistance element disadvantageous. Not to mention of which can be very rapid voltage peaks, which lead to the general increase in voltage or current, which finally allows the fuse to respond, be superimposed and the consumer before the fuse switches off due to the increased current.

Dies gilt grundsätzlich auch für solche Sicherungen, die aus einem dünnen, auf einer isolierenden Unterlage aufmetallisierten Schmelzleiter (wie in der deutschen Patentschrift 948 894 beschrieben) bestehen.In principle, this also applies to backups that consist of a thin fusible link metallized on an insulating base (as in the German patent specification 948 894) exist.

Erst die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kombination einer überspannungsschutzvorrichtung aus einem überspannungsableiter mit mehreren Funkenstrecken, wobei die Funkenstrecken aus Flächenelektroden gebildet werden, von denen mindestens eine als ausbrennfähiger Belag auf einem Isolierstoffträger aufmetallisiert ist und die durch eine den Abstand zwischen den Elektroden bestimmende, die Elektroden gegenseitig abdeckende Isolierstoffschicht getrennt sind, die mit Durchbrüchen versehen ist (deutsche Patentschrift 938 078) in Verbindung mit einer Sicherung, bestehend aus einem dünnen, auf einer isolierenden Unterlage aufmetallisierten Schmelzleiter, wobei der Metallbelag zur Vermeidung von Kontaktschwierigkeiten und zur Herabsetzung der thermischen Beanspruchung der isolierenden Unterlage derart profiliert ist, daß die Dicke des die Schmelzstelle bildenden Metallbelages wesentlich kleiner ist als an den Anschlußflächen bzw. an den Zuleitungsstegen (deutsche Patentschrift 948 894), erfüllt die an eine überspannungsschutzvorrichtung zu stellenden Bedingungen.Only the combination of an overvoltage protection device proposed according to the invention from a surge arrester with several spark gaps, the spark gaps are formed from surface electrodes, of which at least one can be burned out Coating is metallized on an insulating carrier and through a distance layer of insulating material which determines the electrodes and covers each other between the electrodes are separated, which is provided with openings (German patent specification 938 078) in connection with a fuse, consisting of a thin one on an insulating one Base on metallized fusible link, whereby the metal coating to avoid of contact difficulties and to reduce the thermal stress of the insulating pad is profiled so that the thickness of the melting point forming metal coating is much smaller than on the connection surfaces or on the supply webs (German patent specification 948 894), which meets an overvoltage protection device conditions to be set.

Das Schaltungsbeispiel gemäß der Zeichnung stellt einen solchen Schutzstromkreis mit einer Schmelzsicherung gemäß der deutschen Patentschrift 948 894 als Schaltelement dar. Die Spannungsquelle 1 speist über eine Schmelzsicherung 2 den zu schützenden Verbraucher 3. Parallel zum Verbraucher 3 ist der selbstausheilende Spannungsbegrenzer 4 gemäß der deutschen Patentschrift 938 078 geschaltet. Die Klemmenspannung am Verbraucher 3 liegt dicht unterhalb der Durchbruchspannung des Spannungsbegrenzers 4. Die Schmelzsicherung 2 ist für den Dauerbetriebsstrom des Verbrauchers 3 bemessen. Sobald die Spannung der Spannungsquelle 1 so weit erhöht wird, daß der Spannungsbegrenzer 4 durchschlägt, verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der Strom-Zeit-Kennlinie der Schmelzsicherung in Richtung höherer Ströme, so daß die Ansprechzeit wesentlich verkürzt wird.The circuit example according to the drawing shows such a protective circuit with a fuse according to the German patent 948 894 as a switching element. The voltage source 1 feeds the consumer 3 to be protected via a fuse 2 078 switched. The terminal voltage at the consumer 3 is just below the breakdown voltage of the voltage limiter 4. The fuse 2 is dimensioned for the continuous operating current of the consumer 3. As soon as the voltage of the voltage source 1 is increased so far that the voltage limiter 4 breaks down, the operating point shifts on the current-time characteristic of the fuse in the direction of higher currents, so that the response time is significantly shortened.

Da einerseits die Ansprechspannung des überspannungsableiters nach der deutschen Patentschrift 938 078 genau eingestellt werden kann und durch die Vielzahl der ansprechenden Funkenstrecken ein steiler Stromanstieg bei Überspannung gewährleistet ist, andererseits die in Reihe geschaltete Sicherung nach der deutschen Patentschrift 948 894 außerordentlich rasch anspricht, ist der Vorteil gegenüber allen früher bekannten Einrichtungen darin zu sehen, daß die beiden Elemente, die die überspannungsschutzvorrichtung bilden, dimensioniert werden können ohne Kenntnis des Energieinhalts der auftretenden überspannungsspitzen. Vielmehr müssen die beiden Elemente nur aufeinander abgestimmt werden, d. h., die parallel zu dem zu schützenden Verbraucher liegenden Funkenstrecken müssen so viel Energie als Folge einer Cberspannungsspitze aufnehmen, daß der in Reihe geschaltete, auf eine isolierende Unterlage aufmetallisierte Schmelzleiter rasch abschaltet, so daß auch eine energiereiche, lange dauernde Überspannung den Verbraucher nicht gefährdet. Der Schmelzleiter muß lediglich nach dem Endstrom des Verbrauchers bemessen werden. Damit sind alle Daten, die für die Dimensionierung der Überspannungsschutzeinrichtung notwendig sind, feststellbar, ohne auf die Größe der in der überspannungsspitze enthaltenen Energie eingehen zu müssen.On the one hand, the response voltage of the surge arrester after the German patent specification 938 078 can be set precisely and by the Large number of appealing spark gaps, a steep current increase in the event of overvoltage is guaranteed, on the other hand the series-connected fuse after the German Patent specification 948 894 responds extremely quickly, is the advantage over all previously known bodies to see in the fact that the two elements that which form the surge protection device can be dimensioned without knowledge the energy content of the overvoltage peaks that occur. Rather, the two must Elements are only coordinated with one another, d. i.e., the parallel to the one to be protected Spark gaps located in the consumer need so much energy as a result of an overvoltage peak record that the series-connected, metallized on an insulating base Fusible wire switches off quickly, so that there is also a high-energy, long-lasting overvoltage does not endanger the consumer. The fuse element only has to follow the end current of the consumer. So that is all the data necessary for the sizing the surge protection device are necessary, detectable without affecting the size having to enter into the energy contained in the overvoltage spike.

Es ist zweckmäßig, den überspannungsableiter nach der deutschen Patentschrift 938 078 so zu dimensionieren, daß bei den vereinzelt vorkommenden überspannungsspitzen nur ein Teil der Funkenstrecken anspricht, so daß lediglich die Sicherung ersetzt werden muß. Diese Forderung läßt sich leicht erfüllen, da eine sehr große Zahl von Funkenstrecken in einem kleinen Raum untergebracht werden kann (z. B. 5000 Funkenstrecken für 400 V Ansprechspannung in 1 cm3).It is advisable to use the surge arrester according to the German patent 938 078 should be dimensioned in such a way that the occasional overvoltage peaks only a part of the spark gap responds, so that only replaces the fuse must become. This requirement can easily be met, since a very large number of Spark gaps can be accommodated in a small room (e.g. 5000 spark gaps for 400 V response voltage in 1 cm3).

Claims

Claim: Electrical surge protection device in which a surge arrester is connected in parallel to a consumer to be protected, a fuse being connected in series with this parallel connection, g e k e n n n z e i c h -n e t d u r c h the use of the following per se known Components: 1. The surge arrester consists of several spark gaps, whereby the spark gaps are formed from two metallic surface electrodes, from at least one of which is metallized as a burn-out coating on an insulating substrate and the one that determines the distance between the electrodes, the electrodes mutually covering insulating layer are separated, which are provided with openings is (according to German patent specification 938 078).

2. The backup exists from one or more thin, metallized on an insulating base Fusible conductors, with the metal coating to avoid contact difficulties and to reduce the thermal stress on the insulating base in this way is profiled that the thickness of the metal coating forming the melting point is essential is smaller than on the connection surfaces or on the feeder webs (corresponding to German patent specification 948 894). Publications considered: German Patent Nos. 473 336, 948 894, 938 078; German interpretative document No. 1050 912.