DE1925149A1

DE1925149A1 - Controlled multiple spark gap

Info

Publication number: DE1925149A1
Application number: DE19691925149
Authority: DE
Inventors: Rodewald Dr Arnold
Original assignee: Emil Haefely et Cie SA
Current assignee: Trench Switzerland AG
Priority date: 1968-05-17
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1969-11-27
Also published as: CH493117A; US3683234A; GB1257668A

Description

1925H91925H9

Dr. HEINZ-FEDERDr. HEINZ FEDER

-cU 69-10/20-60 -cU 69-10 / 20-60

"V 14. Mai 1969"V May 14, 1969

Firma Emil Haefely & Oie.AG, Basel
Gesteuerte Mehrfachfunkenstrecke Emil Haefely & Oie.AG, Basel
Controlled multiple spark gap

Es werden verschiedentlich Funkenstrecken benötigt, deren sogenanntes Stoßverhältnis kleiner als 1 ist. Unter dem Stoßverhältnis versteht man bekanntlich das Verhältnis der Stoßansprechspannung zur Änsprechspannung bei Gleich- oder Wechselspannungsbearispruchung. Solche Funkenstrecken werden z.B. in Überspannungsableiter, oder als Schaltelemente in der Marxschen Vervielfachungsschaltung eingesetzt. Ganz allgemein kann man solche funkenstrecken benutzen, um Überspannungen, die einer Betriebsspannung überlagert sind zu unterdrücken, wobei unter Betriebsspannung eine Gleichspannung oder eine industriefrequente Wechselspannung zu verstehen ist.Spark gaps are sometimes required, the so-called shock ratio of which is less than 1. Below the shock ratio one understands, as is well known, the ratio of the surge response voltage to the response voltage in the case of direct or alternating voltage stress. Such spark gaps are used, for example, in surge arresters or as switching elements in the Marxsche Multiplier circuit used. In general, such spark gaps can be used to reduce overvoltages that cause a Operating voltage superimposed are to be suppressed, whereby under operating voltage a direct voltage or an industrial frequency AC voltage is to be understood.

Für die Beurteilung der Funkenstrecken gelten folgende Gesichtspunkte: The following aspects apply to the assessment of the spark gaps:

a) Die Funkenstrecke darf bei Beanspruchung mit der Betriebsspannung sicher nicht ansprechen.a) The spark gap may be used when exposed to the operating voltage certainly not address.

b) Das Verhältnis dar Stoßansprechspannung zur Betriebsspannung sollte so klein wie möglich sein. Dieser Gesichtspunkt ist besonders wichtig, da sehr oft die Dimensionierungb) The ratio of the surge response voltage to the operating voltage should be as small as possible. This point of view is particularly important because the dimensioning is very often

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der Isolation von der Höhe der Überspannungen bestimmt wird. Wenn man also die Überspannungen z.B. mit einer Schutzvorrichtung begrenzen kann, ergibt sich unter Umständen eine wesentlich wirtschaftlichere Ditfensionierung der Isolation als dies mit der vollen Höhe der Überspannung der Fall wäre.the insulation is determined by the level of the overvoltages. So if you can limit the overvoltages, e.g. with a protective device, this may result in a much more economical dimensioning of the insulation than would be the case with the full height of the overvoltage.

c) Der Zündverzug der !Funkenstrecke, d.h. die Zeitspanne, die vom Auftreten der Überspannung bis zum SpannungsZusammenbruch an den Elektroden vergeht, sollte möglichst klein sein Eine große Zündverzögerung würde nämlich die Isolation des Apparates, der geschützt werden soll, doch einer hohen Überspannung aussetzen, bevor die Schutzwirkung der Funkenstrecke einsetzt.c) The ignition delay of the spark gap, i.e. the period of time that from the occurrence of the overvoltage to the voltage breakdown passes on the electrodes should be as small as possible. A long ignition delay would reduce the insulation of the Expose the device to be protected to a high overvoltage before the spark gap is effective begins.

Es sind bisher folgende lunkenstreckenanordnungen bekannt geworden, die ein Stoßverhältnis kleiner als 1 aufweist!The following link path arrangements have become known so far, which has an impact ratio less than 1!

1) Homogenfeid-Punkenstrecken, z.B. Kugelfunkenstrecken oder Plattenfunkenstrecken, in deren einen Elektrode ein/^ Stift isoliert eingebettet ist. Der Stift ist lediglich über einen hochohmigen Widerstand mit der Hauptelektrode - d.h. der Kugel oder Platte - verbunden. Bei Beanspruchung mit der Betriebsspannung können sich zwischen Stift und Hauptelektrode keine wesentlichen Potentialunterschiede ausbilden, so daß das Ganze als Homogenfeld-Funkenstrecke wirkt. Wird jedoch eine Stoßspannung zwischen den beiden Hauptelektroden angelegt, so können sich infolge der verzögerten Ladungszuführung zum Stift zwischen diesem und seiner Hauptelektrode wesentliche Potentialunterschiede ausbilden. Die Anordnung wirkt also für die auftretende Stoßspannung wie eine Spitze-Platten-iunkenstrecke und zündet demnach mit der Homogenfeld-Anordnungen eigenen Verzögerung nach Auftreffen der Überspannung. Mit einer solchen Elektroden-Anordnung erreicht man etwa einen Stoßfaktor von 0,8.1) Homogenfeid point gaps, e.g. spherical spark gaps or Plate spark gaps with a pin in one electrode is embedded isolated. The pen is only connected to the main electrode via a high-ohmic resistor - i.e. the Ball or plate - connected. If the operating voltage is used, there may be a gap between the pin and the main electrode no significant potential differences develop, so that the whole thing acts as a homogeneous field spark gap. Will However, if a surge voltage is applied between the two main electrodes, then due to the delayed supply of charge to the pen between the pen and its main electrode develop essential potential differences. The arrangement thus acts like a tip-plate gap for the surge voltage that occurs and therefore ignites with the homogeneous field arrangement's own delay after the overvoltage occurs. With such an electrode arrangement, a shock factor of approximately 0.8 is achieved.

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2) Mehrfachfunkenstrecken mit linearer Spannungsverteilung für die Betriebsspannung, wobei die lineare Verteilung durch Steuerung mit Widerständen erreicht wird. Für die Beanspruchung der Funkenstrecke mit einer Stoßspannung ist jedoch die Widerstandssteuerung unwirksam« Die Spannungsverteilung an der Mehrfachfunkenstrecke wird in diesem Fall allein durcl die Kapazitäten zwischen den Teilelektroden und die Streukapazitäten dieser Teilelektroden gegen die beiden Spannungszuführungen - z.B. Hochspannungselektroden und Erdelektroden - bestimmt. Diese Spannungsverteilung hat längs der Teilfunkenstrecke die Form einer Exponentialfunktion. Durch diese nichtlineare Spannungsverteilung beim Auftreffen einer Stoßspannung werden einige der Teilfunkenstrecken überbeanspruchi zünden, führen zu einer Überbeanspruchung der verbleibenden Teilfunkenstrecke und es kommt auf diese Weise zum Ansprechen der gesamten Mehrfachfunkenstrecke.2) Multiple spark gaps with linear voltage distribution for the operating voltage, the linear distribution being through Control with resistors is achieved. However, when the spark gap is stressed with an impulse voltage the resistance control ineffective. In this case, the voltage distribution on the multiple spark gap is solely caused the capacitances between the sub-electrodes and the stray capacitances of these sub-electrodes against the two voltage supplies - e.g. high-voltage electrodes and earth electrodes - certainly. This voltage distribution has the form of an exponential function along the partial spark gap. Through this Non-linear voltage distribution when an impulse voltage occurs, some of the partial spark gaps are overstressed ignite, lead to an overstressing of the remaining partial spark gap and it comes in this way to response the entire multiple spark gap.

3) Neben diesen passiven Elektrodenanordnungen mit einem Stoßfaktor kleiner als 1 sind noch solche bekannt, die mit Hilfe einer Triggereinrichtung unterhalb des Betriebsspannungsniveaus ausgelöst werden können. Der eingangs erwähnte Überspannungsschutz funktioniert dann so, daß ein Teil der überspannung als Steuersignal für eine Triggereinrichtung benutzt wird, die meist mit einem oder mehreren Hilfsfunken der Spannungszusammenbruch an den Funkenstrecken einleitet. Der wesentliche Unterschied gegenüber den vorher erwähnten Anordnungen besteht darin, daß das Zünden dieser Schaltfunkenstrecke an die einwandfreie Funktionsweise der Triggereinrichtung gebunden ist. Falls irgendein Glied im Triggersysten versagt, ist die Funktionsweise der ganzen Einrichtung in Frage gestellt.3) Besides these passive electrode arrangements with a shock factor less than 1 are still known that with the help of a trigger device below the operating voltage level can be triggered. The overvoltage protection mentioned at the beginning then works in such a way that part of the overvoltage is used as a control signal for a trigger device, usually with one or more auxiliary sparks Initiates a voltage breakdown at the spark gaps. The main difference compared to the previously mentioned arrangements is that the ignition of this switching spark gap to the proper functioning of the trigger device is bound. If there is any link in the trigger system If the failure fails, the functioning of the entire facility is called into question.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine gesteuerte Mehrfachfunkenstrecke, bestehend aus einer Kette von hintereinander geschalteten Teilfunkenstrecken, wobei zur PotentialsteuerungThe subject of the present invention is a controlled multiple spark gap, Consists of a chain of partial spark gaps connected in series, for controlling the potential

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der einzelnen Teilelektroden zu jeder Teilfunkenstrecke ein Widerstand parallel geschaltet ist, und diese Widerstände untereinander in Reihe geschaltet sind. Die erfindungsgemäße Mehrfachfunkenstrecke ist dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelektroden wechselweise mit dem einen und dem anderen Ende der Kette kapazitiv gekoppelt sind. Die Spannungsfestigkeit bei Beanspruchung mit der Betriebsspannung kann in bekannter Art und Weise durch eine Steuerung mit Widerständen gewährleistet werdenof the individual partial electrodes for each partial spark gap Resistance is connected in parallel, and these resistors are connected in series with one another. The multiple spark gap according to the invention is characterized in that the partial electrodes alternate with one and the other end of the chain are capacitively coupled. The dielectric strength when exposed to the operating voltage can be in a known manner and Way can be guaranteed by a control with resistors

Die näheren Zusammenhänge werden im folgenden an einem Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.The more detailed relationships are shown below using an exemplary embodiment the invention explained with reference to the drawing.

Darin ist eine Mehrfachfunkenstrecke mit 5 Teilfunkenstrecken dargestellt, wobei 1 und 8 Anschlußklemmen, 2 bis 7 Elektroden und 9 Widerstände bezeichnen, während mit 14 die zwischen den Elektroden 2-3, 3-4, 5-6 und 6-7 bestehenden Streukapazitäten bezeichnet sind. Die Teilfunkenstrecken werden durch Abstände' zwischen den Elektroden 2 und 3, 3 und 4, 4 und 5, 5 und 6, sowie 6 und 7 gebildet. Alle diese Elektrodenabstände sind in diesem Beispiel gleich groß. Solange an den Anschlüssen 1 und nur die Betriebsspannung auftritt, ist die Spannungsverteilung längs der Elektrodenkette durch die Widerstände gesteuert. Entsprechend ihrer Anzahl sind alle Teilfunkenstrecken mit einem Fünftel der anliegenden Spannung beansprucht, sofern alle Widerstände 9 gleich groß sind. Legt man zwischen den Anschlüeaen 1 und 8 eine Stoßspannung an, so wird die Spannungsverteilung nicht mehr durch die Widerstände, sondern durch die in der Anordnung wirksamen Kapazitäten bestimmt. In der beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Elektroden 4 und 6 vom Anschluß 1 her über eine Verbindung 10 und Kondensatoren 11 anzusteuern, während die Elektroden 3 und 5 über Kondensatoren 12 und eine Verbindung 13 mit dem anderen Anschluß 8 gekoppelt sind. Sind nun die Kondensatoren 11 und 12 wesentlich größer als die in der Zeichnung gestrichelt eingezeichneten Streukapazitäten 14 zwischen den Teilelektroden derThere is a multiple spark gap with 5 partial spark gaps shown, with 1 and 8 terminals, 2 to 7 electrodes and 9 resistors, while 14 denotes the between the Electrodes 2-3, 3-4, 5-6 and 6-7 existing stray capacitances are designated. The partial spark gaps are defined by distances' formed between electrodes 2 and 3, 3 and 4, 4 and 5, 5 and 6, and 6 and 7. All of these electrode distances are in same size as this example. As long as only the operating voltage occurs at connections 1 and, the voltage distribution is controlled along the electrode chain by the resistors. According to their number, all partial spark gaps are with one Fifth of the applied voltage is claimed, provided that all resistors 9 are of the same size. If you place between the connections 1 and 8, the voltage distribution is no longer caused by the resistors, but by those in the arrangement effective capacities determined. In the exemplary embodiment of the invention, it is provided that the electrodes 4 and 6 to be controlled from the terminal 1 via a connection 10 and capacitors 11, while the electrodes 3 and 5 via Capacitors 12 and a connection 13 are coupled to the other terminal 8. Now are the capacitors 11 and 12 much greater than the stray capacitances 14, shown in dashed lines in the drawing, between the partial electrodes of the

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Mehrfachfunkenstrecke, so ist die Spannungsverteilung über die Kapazitäten 12, 14, 11 derart, daß praktisch öie volle an den Anschlußstellen 1 und 8 anliegende Stoßspannung gleichzeitig zwischen den Einzelelektroden 2 und 3, 3 und 4» 5 und 6, sowie 6 und 7 auftritt. Die Spannungsfestigkeit bei Stoßspannungsbeanspruchung ist demnach im wesentlichen durch die Stoßspannungsfestigkeit des Abstandes zwischen 2 Teilelektroden gegeben. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel mit 5 Teilfunkenstrecken wird die Stoßspannungsfestigkeit etwa ein Fünftel der Spannungsfestigkeit bei Beanspruchung mit der Be-r triebsspannung betragen. Mit dem geschilderten Konstruktionsprinzip kann man mit genügend feiner Unterteilung der Mehrfachfunkenstrecke beliebig kleine Stoßfaktoren erreichen.Multiple spark gaps, the voltage distribution over the capacitors 12, 14, 11 is such that practically the full impulse voltage applied to the connection points 1 and 8 occurs simultaneously between the individual electrodes 2 and 3, 3 and 4 >> 5 and 6, and 6 and 7. The dielectric strength in the case of surge voltage stress is therefore essentially given by the surge voltage strength of the distance between two partial electrodes. In the example shown in the drawing with 5 partial spark gaps, the surge voltage resistance will be about a fifth of the dielectric strength when exposed to the operating voltage. With the described construction principle, with a sufficiently fine subdivision of the multiple spark gap, arbitrarily small shock factors can be achieved.

Beurteilt man die beschriebene Mehrfachfunkenstrecke nach den eingangs erwähnten Gesichtspunkten, so ergibt sich folgendes:If the multiple spark gap described is assessed according to the aspects mentioned at the beginning, the following results:

ad a) Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß man die Stoßansprechspannung unabhängig von der Ansprechspannung bei Gleich- oder WechselSpannungsbeanspruchung einstellen kann, indem man, wie erwähnt, eine entsprechende Anzahl Teilfunkenstrecken wählt. Bei vorgegebener Anzahl Teilfunkenstrecken hat man darüber hinaus noch die Möglichkeit, durch Variation des Kapazitätswertes der Steuerkondensatoren 11 und 12 das Stoßverhältnis zu beeinflussen. Man kann demnach die Ansprechspannung bei Gleich· oder Wechselspannung wesentlich größer wählen, als die Gleich- oder Wechselspannung, die dauernd an der Funkenstrecke liegt, so daß sie bei dieser Dauerbeanspruchung sicher nicht zündet. Beim Auftreffen einer Stoßspannung spricht sie dann trotzdem an.ad a) The arrangement described has the advantage that the surge response voltage is independent of the response voltage Set for direct or alternating voltage stress can, as mentioned, by choosing a corresponding number of partial spark gaps. With a specified number of partial spark gaps you also have the option of varying the capacitance value of the control capacitors 11 and 12 influence the shock ratio. Accordingly, one can determine the response voltage at equ or choose alternating voltage significantly higher than the direct or alternating voltage that is permanently at the spark gap lies, so that it will certainly not ignite under this continuous load. When a surge voltage occurs then speaks to them anyway.

ad h) Das Stoßverhältnis kann durch genügend feine Unterteilung beliebig tief eingestellt werden. Es sind ohne weiteres Stoßfaktoren von 0,1 und darunter zu erreichen.ad h) The shock ratio can be set to any depth by means of a sufficiently fine subdivision. Impact factors of 0.1 and below can easily be achieved.

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ad c) Da die Stoßspannung an allen Teilfunkenstrecken gleichzeitig auftritt, weist die beschriebene Anordnung eine extrem niedrige Zündverzögerung auf. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den bisher bekannt gewordenen Mehrfunkenstrecken, bei denen im allgemeinen ein sukzessives Durchschalten der Teilfunkenstrecken stattfindet, was mit einer entsprechenden Zündverzögerung verbunden ist.ad c) Since the impulse voltage at all partial spark gaps is simultaneous occurs, the arrangement described has an extremely low ignition delay. This is an essential one Advantage over the previously known multi-spark gaps, which are generally successive The partial spark gaps are switched through, which is associated with a corresponding ignition delay is.

Claim

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Claims

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Claim

Controlled multiple spark gap, consisting of a chain of partial spark gaps connected in series, whereby a resistor is connected in parallel to each partial spark gap to control the potential of the individual partial electrodes and these resistors are connected in series with each other, characterized in that the partial electrodes (2 - 7) alternate with the one (1) and the other end (8) of the chain are capacitively (11, 12) coupled.

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